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张义科;陈阿强;王振波
【摘 要】As an efficient and clean oil removal process technology,dissolved air flotation is commonly used in the similar density between liquid-liquid two-phase flow or the separation of suspended particles in water.As the places of generation of the micro bubbles and the adhesion between micro bubbles and oil droplets and suspended material,the contact zone which has a great effect on size of the micro bubble distribution and gas content has an important influence on the oil removal efficiency.Experiments show that bubble size is smaller at 0.34 MPa;double nozzles can significantly increase the rate of gas content;turbulent motion strengthens the bubble coalescence with the smaller contact zone;surfactant concentration can reduce the surface tension,and restrain the micro-bubble coalescence;the optimal concentration was 0.5％ with the average size at 65 ～70 μm.%气浮技术作为高效清洁的除油工艺,常用于密度相近的液-液两相流或水中悬浮颗粒的分离.作为微气泡的产生及微气泡与油滴等悬浮物质黏附的场所,气浮池接触区水利流动状态下的微气泡
粒径及气含率分布对除油效率有着重要影响.实验表明,溶气压力0.34 MPa时微气泡尺寸更小;双释放头能显著提高气含率;接触区宽度较小时,湍动作用加强微气泡聚并严重;表面活性剂浓度能降低表面张力,有效抑制微气泡聚并;最佳浓度为0.5 mg/L时,平均尺寸维持在65 ～70 μm.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2017(017)001
【总页数】6页(P73-78)
【关键词】气浮;接触区;微气泡尺寸;气含率
【作 者】张义科;陈阿强;王振波
【作者单位】中国石油大学(华东)化学工程学院,青岛266580;中国石油大学(华东)化学工程学院,青岛266580;中国石油大学(华东)化学工程学院,青岛266580
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ028.4
wikipedia大力度的油田开采以及三次驱采油技术的广泛应用造成含油污水的大量堆积。传统模式的除油方式通常采用重力沉降罐沉降，往往占地面积大，周期长，设备使用率低[1，2]，或是采用超重力离心力场的水利旋流器进行预脱水后再进行处理。这种方式占地面积小，处理周期短，往往应用于与水密度相差较大的非溶解油，而与水表观密度较接近的含油污水净效果往往较差[3，4]。
最早应用于矿物浮选的气浮技术作为清洁、高效的处理工艺，近年来被广泛应用于治理污水等环保领域，特别是含乳化油污水[5—8]。气浮技术是通过在水中产生或设法注入微气泡与油滴等悬浮物质粘附形成表观密度小于水的油-气聚合物，增大油水两相密度差和油滴体积，使所受的浮力增大而加速分离过程[9，10]。气浮池为微气泡的产生、油-气聚合物的形成以及油水两相分离提供了场所。气浮池接触区作为气浮池的重要组成部分之一，其微气泡粒径及气含率分布影响着微气泡与水中油滴等悬浮物质的粘附效果，进而对除油效果起着决定性的作用[11]。Lakghomi B[12]和Lundh M[13]分别对气浮池分离区层流状态以及分离区动力学进行研究，另有陈阿强、朱丽、Kim M S等学者对气泡聚并行为以及气浮技万方数据库资源系统
术用于污水处理的可行性分别进行了深入分析[14—16]，Lundh M等探讨接触区结构与流动状态之间的关系[17]，王静超[18，19]还对影响微气泡与颗粒碰撞粘附的影响因素进行了相关分析。由于流动状态的复杂性和测量方法的欠缺，目前国内外对接触区微气泡粒径及气含率分布缺乏系统性研究。因此，本研究通过实验分析各因素对接触区微气泡粒径及气含率分布的影响，以期出提高分离效率的最优条件。
1.1 工艺流程
实验用装置为平流式加压溶气气浮装置，包括气浮池(尺寸：144 cm×44 cm×86 cm)、溶气罐(φ15 cm×120 cm)、空气压缩机、溶气释放头、泵、污水池等，如图1。气浮池分为混合区、接触区、分离区三部分。实验原理：回流水经泵提升至溶气罐与空气压缩机提供的空气进行混合加压，形成饱和溶气水并沿溶气罐底部导管流至释放头处，经释放头瞬间降低至常压而成过饱和状态，产生大量微气泡并与来水进行混合。在水力作用下，混合相沿折流板进入分离区。在分离区，微气泡在浮力作用下上浮至液面，净水则通过分离区底部管道流出，部分作为回流水源，其他则流入污水池形成循环。
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1.2 测量方法
1.2.1 微气泡粒径测量
为观测微气泡粒径，实验采用载玻片自制观测槽。观测槽一端连接出水口并自然流出，另一端连接取样管，取样管入口放在被测点处。观测时堵住出水口，管中流体停滞，微气泡便上浮至载玻片上，停留片刻并通过显微镜(Phenix)观测、拍摄、记录。观测图片如图2，拍摄图片采用ImageJ和自编Matlab程序进行粒径测量及数量统计。
1.2.2 Matlab程序准确性验证
取某一测量点处的拍摄图像5张，气泡数约为500，分别用Matlab和ImageJ进行处理，得到每张图像的气泡平均值，然后求5张图像的气泡平均粒径，最后求Matlab与ImageJ测量结果的相对偏差RD，计算公式如下：
。
从表1可得出，对于某一点的拍摄图片，两种方法测得相对偏差最大不超过8.2%，平均相对偏差不超过6.2%。通过增加该点处的图片数量，如增加至10张取平均得到该点的微气泡粒径，可减小程序处理误差。因此，自编Matlab程序用于微气泡粒径测量方法可行，测量
结果准确可信。
1.2.3 气含率测量
气含率，即溶液中的微气泡与水的体积比。根据Dassey等[20]的气含率测量方法进行改进建立如图3所示气含率测量装置。实验原理：测量前保持装置内充满水首先通过排空法将装置灌满水，然后将入口取样管A放在接触区带测点的位置，出水口B则放入量筒中。带刻度的玻璃管C中的水会在重力及虹吸作用下通过出水管B中流出，在玻璃管C中形成负压，一方面有利于微气泡的析出，另一方面通过入口取样管A吸入含微气泡的水。含微气泡的水沿细小的玻璃管喷到玻璃管C的内壁，撞击壁面后从水中析出，收集在玻璃管C中，清水则沿壁面留下通过出水管B收集到量筒D中，液体体积为VT。通过观测玻璃管C中的液位差(测量前为V1，测量后为V2)以及量筒D中水体积即可知该点处的气含率ω，计算公式如下：
。
2.1 溶气压力
接触区宽度为20 cm时，测量接触区10～50 cm高度的气泡粒径分布，间隔10 cm。测量时，入口流量2 m3/h，回流流量0.3 m3/h，进气量6 L/h，采用单个释放头，置于接触区入口中心位置。溶气压力分别控制在0.34 MPa和0.28 MPa，测量接触区各高度微气泡平均尺寸分布。
由图4知，在各个高度上整体上呈现正态分布趋势。图5知，不同溶气压力条件下，微气泡粒径分布从底部往上逐渐增大，这是由于湍流状态使微气泡发生相互碰撞聚并，且压力越大，微气泡聚并效果越明显，出现微气泡尺寸沿高度分布大于0.28 MPa的情况。溶气压力0.34 MPa时，释放头附近的微气泡(即10 cm位置)尺寸较小。这说明在一定程度上，溶气压力越大，微气泡粒径越小[21]。从图6知，各压力条件下气含率沿高度升高而增加；溶气压力0.34 MPa条件下的碰撞概率大造成聚并现象较严重，导致气含率整体较高。
2.2 释放头数量
固定接触区宽度20 cm，入口流量2 m3/h，溶气压力0.28 MPa，进气量6 L/h，进行单、双释放头的实验，研究释放头数量对微气泡分布的影响。
由图7知，不管单释放头还是双释放头，气泡粒径随高度增大而增大，即气泡上浮过程中发生聚并。同时由图可见，采用双释放头时气泡直径在各高度处均大于采用单释放头的情况。这种差别与气含率分布相关。图8所示为不同释放头个数下垂直高度方向气含率的分布。气含率随接触区高度升高而逐渐升高，相较于单释放头，采用双释放头时气含率更高。这就意味着，采用双释放头时接触区气泡数密度更大，气泡聚并更严重，导致微气泡粒径较大，使得各高度上微气泡粒径明显高于单释放头。
2.3 接触区宽度
分别设置接触区宽度为10 cm、20 cm，入口流量2 m3/h，溶气压力0.28 MPa，进气量6 L/h，双释放头，考察接触区宽度对微气泡分布的影响。
由图9知，入口流量相同条件下，接触区宽度20 cm时微气泡粒径变化小于接触区宽度10 cm的情况，这是由于宽度20 cm时空间大，平均速度比宽度10 cm时缓，水力停留时间长，流动方向较统一，碰撞造成的聚并程度略低。而宽度为10 cm时流速快，湍流造成的碰撞聚并概率大。图10知，不同接触区宽度的气含率都有随高度增加而增加的趋势。宽度10 cm时接触区空间较小，水中聚集的微气泡密度较高，接触碰撞导致气含率也较高。ccl4
2.4 表面活性剂
固定接触区宽度20 cm，溶气压力0.28 MPa，入口流量2 m3/h，进气量6 L/h，双释放头，改变表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)的浓度0 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L，研究表面张力对微气泡分布的影响。
从图11看出，在一定程度上，表面活性剂的存在能降低水的表面张力进而降低微气泡粒径，并且能有效抑制微气泡聚并。表面活性浓度为0.5 mg/L时，在垂直高度上平均尺寸维持在65～70 μm，聚并效果不明显，微气泡分布较均匀。这会影响气含率的分布，如图12。表面活性剂的存在改变了气含率的分布大小，且各浓度下的气含率分布都随接触区高度增加而逐渐递增，但过高的表面活性剂含量并不能有效提高水中气含率，最终确定最佳浓度为0.5 mg/L。
通过对气浮池接触区微气泡分布的实验研究，得出以下结论：
(1) 微气泡粒径分布在接触区各高度整体上呈现正态分布趋势，粒径随高度升高而增大，气含率分布也呈现递增趋势；
(2) 溶气压力越大，微气泡粒径越小，密度较大，气含率较高，碰撞概率大造成聚并现象较严重，出现微气泡尺寸以及气含率分布沿高度分布均较高；双释放头能明显提高水中气含率，增大微气泡密度，但同时也提高碰撞聚并概率；
帐棚(3) 接触区宽度为20 cm时，水力停留时间长，流速较慢，湍动作用造成的聚并程度相对较低，微气泡粒径变化相对较小；表面活性剂能提高气含率，也能有效抑制聚并。浓度0.5 mg/L时，接触区高度上平均尺寸维持在65～70 μm，粒径分布较均匀。
*通信作者简介：王振波(1971-)，男，工学博士，博士研究生导师，中国石油大学(华东)多相流分离工程技术中心主任。研究方向：多相流分离工程与装备(气、液、液、固非均相分离技术)、多相流动与传递等。E-mail:***************。
【相关文献】
1 陈涛涛,邵天泽,陈家庆,等. 紧凑型旋流气浮一体化技术的国产化研究进展与主体结构浅析. 北京石油化工学院学报, 2014;22(2):59—66
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