本發(fā)明涉及一種氣浮裝置及其使用方法，具體而言，本發(fā)明涉及一種用于微藻采收的便攜式低能耗氣浮裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

微藻具有生長速度快，營養(yǎng)物質(zhì)豐富等特點，被廣泛地應(yīng)用于生物餌料、保健食品、食品添加劑等領(lǐng)域。特別是近年來，隨著常規(guī)石化能源的日益匱乏，全球環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，以富油微藻為原料的可再生生物燃料被認(rèn)為是緩解能源危機、降低環(huán)境損害的最佳選擇。但由于微藻細(xì)胞個體小，培養(yǎng)液中的濃度低，導(dǎo)致了其在采收時存在難度較大、成本較高的問題。據(jù)統(tǒng)計，在規(guī)模化養(yǎng)殖中，微藻的采收成本可達到養(yǎng)殖總成本的30％左右。目前，微藻的采收方法主要有離心法、過濾法、絮凝法和氣浮法等。離心法具有能耗投入高的不足，過濾法則往往會因藻細(xì)胞堵塞濾孔而導(dǎo)致濾膜失效。絮凝法與氣浮法常常聯(lián)合使用，以達到高效率、低成本的連續(xù)采收。

氣浮法是一種通過向藻液中導(dǎo)入微小氣泡使藻絮凝體黏附于其上從而達到浮升收集目的的技術(shù)。在微藻的采收過程中，氣浮法常常作為絮凝法的后續(xù)步驟，兩者的聯(lián)合使用將使規(guī)?；墒者^程的連續(xù)性變得可行。如何穩(wěn)定地產(chǎn)生豐富而微小的氣泡是該方法獲得較高采收效率的關(guān)鍵所在。目前，微氣泡的生成方式主要有機械法和溶氣法。前者所形成的微氣泡粒徑較大，不易與藻絮凝體黏附。相對而言，后者則可形成粒徑較小的氣泡，較適用于藻絮凝體的富集采收。盡管如此，溶氣氣浮法仍然存在能耗投入高、工藝復(fù)雜、微氣泡生成難以持續(xù)穩(wěn)定的不足。

申請?zhí)枮?01310719153.7的中國專利公開了一種微藻泡沫濃縮采收裝置，該裝置包括氣泡發(fā)生單元、濃縮分離塔、液流循環(huán)單元以及泡沫收集單元，氣體經(jīng)氣體分布器打散后粘附在微藻細(xì)胞表面，將其帶至液體表面形成泡沫層，該泡沫層通過泡沫導(dǎo)流管輸入泡沫收集單元，經(jīng)消泡后獲得濃縮藻液。然而，該裝置涉及的單元較多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，占地面積較大，便攜性不佳，設(shè)備投入和運行成 本都相對較高，而且氣體分布器所產(chǎn)生的氣泡粒徑較大，導(dǎo)致氣浮效果受到很大的限制。

申請?zhí)枮?01420310778.8的中國專利公開了一種電解充氣浮選柱，該裝置通過在浮選柱底部安裝一組圓環(huán)形電極，依靠電解水產(chǎn)生的氣泡以及配合加入的起泡劑，達到浮選礦物質(zhì)的目的。該采用豎直圓環(huán)形電極組，其電解所產(chǎn)生的氣泡會沿著電極板壁上升，導(dǎo)致氣泡在體系內(nèi)分散不均勻，且氣泡在沿電極板壁上升過程中會不斷聚集成粒徑較大的氣泡，從而降低氣浮效率。另一方面，該裝置的應(yīng)用于選礦設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，目前亟需開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、便攜性佳、能耗較低且效率較高的微藻采收裝置，以滿足微藻規(guī)?；囵B(yǎng)(尤其是沙漠、海上等環(huán)境下微藻規(guī)模化培養(yǎng))的采收環(huán)節(jié)。本發(fā)明旨在提供一種新的便攜式低能耗氣浮裝置，既能滿足微藻的連續(xù)性采收，又可保證較高而穩(wěn)定的采收效率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：

一種用于微藻采收的便攜式低能耗氣浮裝置，其特征在于：該裝置由底座、筒體和上蓋三部分組成，所述三部分可拆離，便于移動及攜帶。

所述底座上通過固定柱固定有微氣泡發(fā)生器，該微氣泡發(fā)生器由一對電極組構(gòu)成，其中，陰極置于下方，為板狀，陽極置于上方，為梳狀或柵狀或網(wǎng)狀。所述陰極與陽極之間置有絕緣墊。所述電極組材料優(yōu)選為石墨。所述電極組材料也可是不銹鋼、各類合金、鈦及其氧化物、鉭及其氧化物等。所述電極組由直流電源供電。

所述底座側(cè)面設(shè)有開口，通過三通與出水口和排空管相連，該出水口高度可調(diào)節(jié)，兼具控制氣浮裝置內(nèi)液位的功能，該排空管處設(shè)有閥門。

所述筒體下端與底座連接，上端與上蓋連接，其材質(zhì)為透明的玻璃或有機玻璃等硬質(zhì)材料，也可為透明的塑料等軟質(zhì)材料。當(dāng)筒體使用軟質(zhì)材料時，筒體周圍置有網(wǎng)狀圍擋。

所述上蓋中設(shè)有高度可調(diào)的進水口，上蓋側(cè)面設(shè)有出渣口，其中，進水口略低于出水口，出渣口略高于出水口。所述出水口為水平輻射狀，液體通過進液小 口以水平方向流入筒體內(nèi)。

所述進水口上部為管道混合器，用以充分混勻含有絮凝劑的待氣浮液體。

所述的便攜式低能耗氣浮裝置可固定于基面上或懸掛于支架上。

所述的便攜式低能耗氣浮裝置用于微藻的采收時，收獲每千克微藻(干重)僅需消耗0.043～0.075kWh電能。

本發(fā)明提供了一種用于微藻采收的便攜式低能耗氣浮裝置，既能滿足微藻的連續(xù)性采收，又可保證較高而穩(wěn)定的采收效率，有效解決了如下所述的技術(shù)問題：

1.傳統(tǒng)的微藻采收方式具有設(shè)備成本高、運行成本高的不足，本發(fā)明專利提供的氣浮裝置具有材料價格低廉、運行成本極低的優(yōu)勢，大幅降低了微藻采收過程的物料和能耗投入，節(jié)約了成本。

2.傳統(tǒng)的微藻采收設(shè)備具有結(jié)構(gòu)繁冗、工藝復(fù)雜、設(shè)備龐大的不足，不但操作過程繁瑣，而且占地面積大，便攜性不佳，嚴(yán)重限制了其實用性。本發(fā)明專利提供的氣浮裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡潔，體積小巧的優(yōu)勢，便于移動，易于攜帶，可被靈活而廣泛地應(yīng)用于微藻各種類型的規(guī)模化培養(yǎng)模式，尤其適用于沙漠、海上等環(huán)境下微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的采收。

3.傳統(tǒng)的氣浮采收設(shè)備因氣泡的產(chǎn)生難以長時間持續(xù)穩(wěn)定，且所產(chǎn)生的氣泡粒徑較大，導(dǎo)致氣浮采收效率低下，本發(fā)明專利提供的氣浮裝置基于電解水的原理，可穩(wěn)定地產(chǎn)生大量粒徑較小的氣泡，特別是針對微藻的浮載，有效提高了采收效率；發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)，同樣是通過氣浮法收集顆粒，所產(chǎn)生的氣泡大小不同，其所針對不同大小顆粒的浮載效果明顯不同，專利申請201420310778.8所述裝置采用的是大氣泡粘附小顆粒的泡載模式，而本申請是針對微藻這種大顆粒，大氣泡的泡載模式對于微藻的收集效率極低，而改為小氣泡，更能有效的粘附微藻大顆粒，提高微藻的采收率。

4.傳統(tǒng)的電解氣浮裝置采用易被腐蝕的金屬鐵、鋁等物質(zhì)作為電解電極，在電解過程中易產(chǎn)生金屬鹽類混雜到收獲物中，嚴(yán)重污染了收獲物的品質(zhì)，因此不適于微藻的采收，而且，電極的消耗一方面會增加損耗性成本，另一方面也使得電極逐漸鈍化，導(dǎo)致導(dǎo)電性能降低，氣浮效果變差。發(fā)明人在實驗過程中，替換了多種材料的電極進行組合實驗，發(fā)現(xiàn)金屬鐵、鋁等物質(zhì)作為電解電極在經(jīng)濟性和電解性能上，明顯低于石墨、不銹鋼合金、鈦及其氧化物、鉭及其氧化物等幾 種電極材料，并且相對而言，石墨電極更為合適，其耐腐蝕性高，不但價格低廉，而且完全避免了上述污染、損耗以及鈍化等問題。

5.本發(fā)明專利提供的氣浮裝置原理簡明，結(jié)構(gòu)合理，尤其是安裝于底座上用于產(chǎn)生微氣泡的電極組，由于電解過程中，陰極所產(chǎn)生的氣泡量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于陽極，所以將陰極設(shè)計為板狀置于下方，將陽極設(shè)計為梳狀或柵狀或網(wǎng)狀置于上方，這樣既可避免氣泡分布的不均勻性，又能保證氣泡不會滯留而聚集成較大的氣泡。采用直流電進行電解而非交流電，更是為了更穩(wěn)定的產(chǎn)生微氣泡，避免擾動，從而連續(xù)穩(wěn)定的進行微藻采收；另外，在優(yōu)選的電極間距及電解電壓條件下，該裝置極大地降低了收獲單位質(zhì)量微藻的能耗投入。

6.本發(fā)明專利提供的氣浮裝置，位于進水口上端的管道混合器可以起到攪拌和混勻的作用，使含有絮凝劑的待氣浮液體得到充分的絮凝。這一設(shè)計避免了以往氣浮采收裝置中附帶的常規(guī)攪拌設(shè)備如攪拌電機、混勻池的使用，使氣浮裝置的構(gòu)造得以精簡，增大了其便攜性，同時也有效降低了攪拌能耗。此外，本申請通過出水口、進水口、出渣口的相對位置設(shè)定，從而通過調(diào)控筒體內(nèi)的液面變化，即可實現(xiàn)微藻通過出渣口溢出而進行收集，從而減少了現(xiàn)有技術(shù)氣浮設(shè)備中刮板(用于將上浮至頁面的微藻刮出收集)的設(shè)置，進一步精簡裝置的構(gòu)造，提高氣浮裝置的便攜性。

7.本發(fā)明專利提供的氣浮裝置具有水平輻射狀出水口，液體通過進液小口以水平方向流入筒體內(nèi)，這一設(shè)計可使液體流入筒體內(nèi)時在水平方向均勻分布，同時也將有效降低液體流入筒體內(nèi)時造成的擾動。

8.本發(fā)明專利提供的氣浮裝置采用硬質(zhì)和/或軟質(zhì)材料，可固定于基面上和/或懸掛于支架上，以適應(yīng)各種類型的規(guī)?；⒃迮囵B(yǎng)模式。

本發(fā)明專利的有益效果：

1.本發(fā)明專利提供的氣浮裝置結(jié)構(gòu)簡易、體積小巧、便于維護，易于移動及攜帶，可被靈活而廣泛地應(yīng)用于微藻各種類型的規(guī)?；囵B(yǎng)模式，尤其適用于沙漠、海上等環(huán)境下微藻規(guī)模化培養(yǎng)的采收。

2.本發(fā)明專利提供的氣浮裝置材料廉價，運行成本低，可大幅降低微藻采收過程的物料和能耗投入，節(jié)約成本，在優(yōu)選的電極間距和電解電壓條件下，收獲每千克微藻(干重)僅需消耗0.043～0.075kWh電能。

3.本發(fā)明專利提供的氣浮裝置基于電解水的原理產(chǎn)生微氣泡，在優(yōu)選的電極材料和電極組成形式條件下，可持續(xù)穩(wěn)定地獲得大量粒徑極小的氣泡，有效地提高了采收效率，在優(yōu)選的電解電壓和液體流速等條件下，采收效率可高達91％～99％。

4.本發(fā)明專利提供的氣浮裝置，其電極的材料、構(gòu)造、安裝等方面均設(shè)計合理，其進水口上端的管道混合器避免了額外的攪拌設(shè)備，降低了能耗，其水平輻射狀的出水口更有益于維持筒體內(nèi)氣浮狀態(tài)的穩(wěn)定，其硬質(zhì)和/或軟質(zhì)的筒體材料可固定于基面上和/或懸掛于支架上，更適于各種類型的規(guī)?；⒃迮囵B(yǎng)模式。

附圖說明：

圖1為本氣浮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本氣浮裝置的電極組結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本氣浮裝置用于微藻非連續(xù)采收的采收效率圖。

圖4為本氣浮裝置用于微藻連續(xù)采收的采收效率圖。

圖5為本氣浮裝置所產(chǎn)生的氣泡粒徑分布圖。

圖1中：1、陽極；2、陰極；3、絕緣墊；4、固定柱；5、直流電源；6、底座；7、排空管；8、筒體；9、網(wǎng)狀圍擋；10、管道混合器；11、出水口；12、進水口；13、上蓋；14、出渣口。

具體實施方式

結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明，應(yīng)該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進行限定。

實施例1：氣浮裝置具體實施方式

如圖1和圖2所示，一種便攜式低能耗氣浮裝置，其組成部分包括底座(6)、筒體(8)和上蓋(13)，三者可拆離；所述底座直徑為5～30cm，所述底座通過固定柱(4)與一對電極組連接，所述電極組包括置于下方的陰極(2)與置于上方的陽極(1)，所述陰極與陽極之間置有絕緣墊(3)，所述電極組由直流電源(5)供電；所述底座側(cè)面設(shè)有開口，通過三通與出水口(11)和排空管(7)相連； 所述筒體為透明材質(zhì)，其下端與底座連接，其上端與上蓋連接；當(dāng)筒體為軟質(zhì)透明材料時，其周圍置有網(wǎng)狀圍擋(9)；所述筒體直徑為5～30cm，高為50～200cm；所述上蓋直徑為5～30cm，所述上蓋側(cè)面設(shè)有出渣口(14)，中間設(shè)有進水口(12)，所述進水口上部為管道混合器(10)。

所述的電極組中，陰極為圓形或方形板狀，陽極為圓形或方形梳狀和/或柵狀和/或網(wǎng)狀，陰極與陽極間距為0.5～10mm。所述的電極組材質(zhì)為石墨和/或不銹鋼和/或各類合金和/或鈦及其氧化物和/或鉭及其氧化物。

所述筒體為圓柱體和/或棱柱體，所述筒體為硬質(zhì)透明材料和/或軟質(zhì)透明材料。

所述進水口為水平輻射狀，液體通過進液小口以水平方向流入筒體內(nèi)，進水口低于出水口，出渣口高于出水口，排空管處設(shè)有閥門，進水口和出水口高度可上下調(diào)節(jié)。

將所述的便攜式低能耗氣浮裝置用于微藻采收的應(yīng)用，可固定于基面上或懸掛于支架上。

在氣浮開始之前，先通過排空管往筒體內(nèi)注滿液體，之后關(guān)閉排空管上的閥門，接通并打開直流電源，此時開始電解產(chǎn)生微氣泡。待筒體內(nèi)微氣泡數(shù)量變得相當(dāng)豐富即筒體內(nèi)液體在視覺上變?yōu)榻迫榘咨珪r，開始通入藻液進行氣浮采收。所述藻液為事先按一定比例流加了絮凝劑的藻液。所述按一定比例流加了絮凝劑的藻液在流過進水口上端的管道混合器時得以充分混勻和攪拌，達到理想的絮凝效果。經(jīng)絮凝的藻液通過水平輻射狀的進液小口以水平方向流入筒體內(nèi)，絮凝體與微氣泡接觸、黏附，并在其浮升作用下向液體表層移動。而經(jīng)氣浮除去絮凝體的液體則向下移動，并最終通過出水口流出。當(dāng)液體表面的絮凝體層逐漸變厚時，即從位于上蓋側(cè)面的出渣口流出。由于絮凝體層中含有氣泡，其密度低于藻液，所以出渣口略高于出水口，同時，為避免從進水口流入的液體對業(yè)已形成的絮凝層產(chǎn)生擾動，進水口設(shè)置為低于出水口。待氣浮結(jié)束之后，打開排空管的閥門，將筒體內(nèi)液體排空。

實施例2：氣浮裝置用于微藻的非連續(xù)采收

將生物量約為1.2g/L的小球藻藻液以終濃度為25mg/L的殼聚糖進行絮凝，將該藻液加入氣浮裝置中進行非連續(xù)的氣浮采收。采收過程中，設(shè)置電解電壓為 3～6V，定時取樣測定吸光度值計算采收效率。結(jié)果表明，在各電壓條件下最終均可獲得高達91％～99％的采收效率，濃縮倍數(shù)高達50倍以上，獲得最佳采收效率的時間隨電壓的增加而縮短(如圖3)，但從能耗角度來看，當(dāng)電壓設(shè)置為4V時，收獲每千克微藻(干重)所需的能耗最低，僅為0.043kWh。本發(fā)明人以傳統(tǒng)的溶氣氣浮法和機械氣浮法作為對照對相同的藻液進行非連續(xù)的氣浮采收，結(jié)果表明，溶氣氣浮法所能達到的最高采收效率為60％，機械氣浮法則僅有40％，從能耗角度來看，溶氣氣浮法收獲每千克微藻(干重)所需的能耗為2.2kWh，機械氣浮法則為3.4kWh，這兩者分別為本發(fā)明裝置的51.2倍和79.1倍。由此可見，本氣浮裝置極大地降低了微藻的采收能耗。

實施例3：氣浮裝置用于微藻的連續(xù)采收

按照實施例1中所述的具體實施方式，將生物量約為1.2g/L的小球藻藻液持續(xù)通入氣浮裝置中進行連續(xù)采收，該藻液預(yù)先流加了殼聚糖作為絮凝劑，使殼聚糖在藻液中的終濃度為25mg/L。采收過程中，設(shè)置電解電壓為4～6V，設(shè)置稀釋速率(即藻液流量與氣浮裝置容積的比值，單位min^-1)為0.08～0.33min^-1。定時取樣測定吸光度值計算整個采收過程的平均采收效率。如圖4所示，結(jié)果表明，在稀釋速率小于0.12min^-1時，4V的電解電壓即可獲得高達91.4％以上的氣浮采收效率。當(dāng)稀釋速率逐漸增加時，要想獲得較高的采收效率，則電解電壓也需逐漸提高。在各條件下，濃縮倍數(shù)皆可達到50倍以上。從能耗的角度來看，當(dāng)稀釋速率為0.12min^-1，電解電壓為4V時，收獲每千克微藻(干重)所需的能耗最低，僅為0.075kWh。本發(fā)明人以傳統(tǒng)的溶氣氣浮法和機械氣浮法作為對照對相同的藻液進行連續(xù)的氣浮采收，結(jié)果表明，溶氣氣浮法所能達到的平均采收效率為45％，機械氣浮法則僅有25％，從能耗角度來看，溶氣氣浮法收獲每千克微藻(干重)所需的能耗為3.4kWh，機械氣浮法則為4.7kWh，這兩者分別為本發(fā)明裝置的45.3倍和62.7倍。由此可見，本氣浮裝置極大地降低了微藻的采收能耗。

實施例4：氣浮裝置所產(chǎn)生氣泡的粒徑分析

按照實施例1中所述的具體實施方式，在氣浮開始之前，先通過排空管往筒體內(nèi)注滿液體，之后關(guān)閉排空管上的閥門，接通并打開直流電源，此時開始電解產(chǎn)生微氣泡。利用高速顯微攝像機對裝置內(nèi)的氣泡進行顯微攝像，并通過圖像處 理軟件Image-Pro Plus 6.0對所獲得的圖像進行數(shù)據(jù)分析。利用該方法對傳統(tǒng)氣浮方式如溶氣法和機械法所產(chǎn)生的氣泡亦進行粒徑分析。結(jié)果表明，如圖5所示，該氣浮裝置所產(chǎn)生的氣泡粒徑極小，且分布極為集中，85％以上的氣泡粒徑在15～27微米之間。另外，隨著氣浮過程的持續(xù)進行，該氣浮裝置所產(chǎn)生的氣泡粒徑并無明顯變化，極為穩(wěn)定，氣浮采收效率也持續(xù)穩(wěn)定地維持在90％以上。而傳統(tǒng)氣浮方式所產(chǎn)生的氣泡粒徑較大，為100～1000微米，且分布范圍較廣而不集中。而且，隨著氣浮過程的持續(xù)進行，傳統(tǒng)氣浮方式所產(chǎn)生的氣泡粒徑逐漸增大，不均勻性也逐步擴大，導(dǎo)致氣浮效率大幅降低，如溶氣氣浮法運行1小時后，其氣浮效率從開始時的60％左右降低至不到30％，機械氣浮法則從40％降低至10％。微藻的氣浮采收效率直接與氣泡粒徑相關(guān)，氣泡粒徑越小，則氣浮采收效率越高。這意味著相較傳統(tǒng)的氣浮方式，該氣浮裝置所產(chǎn)生的更小的氣泡更有利于載浮液體中的藻細(xì)胞，同時，粒徑分布集中、個體均勻的氣泡極大地降低了氣泡對液體產(chǎn)生的擾動，更有利于維持液體穩(wěn)定的氣浮狀態(tài)。

實施例5：管道混合器的混合效果

在生物量約為1.2g/L的小球藻藻液中添加殼聚糖使其終濃度為25mg/L。用螺旋片式、多孔板式、渦流室式、噴嘴式及混合頭式等五種管道混合器作為實施例1中所述的管道混合器對小球藻藻液進行混勻絮凝，并以傳統(tǒng)的機械攪拌作為對照。結(jié)果表明，螺旋片式與多孔板式管道混合器的混勻絮凝效果最佳，絮凝效率可達90～99％，渦流室式和噴嘴式次之，絮凝效率為85～88％，混合頭式再次之，絮凝效率為76％。以機械攪拌達到理想的混合絮凝效果，每千克微藻(干重)所需的能耗為1.05kWh。由此可見，管道混合器的使用不但避免了以往氣浮采收裝置中附帶的常規(guī)攪拌設(shè)備如攪拌電機、混勻池的使用，使氣浮裝置的構(gòu)造得以精簡，增大了其便攜性，而且也極大地降低了攪拌能耗。