旋流场中气泡强化除油过程的基础问题

Based on the real demands for environmental management and resource utilization of pollutants, the separation of micro oil mater from oily sewage has become the hotspot in modern wastewater treatment field. Dependent on in-situ observation of the interaction between microfluidically-generated bubbles and oil droplets, this project, combining with experimental measurements, computer simulations, and theory researches, focuses on the develop of strengthening the degreasing process by bubbles in the swirl flow field. The main studies content not only concentrates on the bubble size and the spatial distribution density of oil droplets in air-water interface, but also focuses on the observation of hydration layer thinning, rupture characteristics. Remarkably, it promises to be a new quantitative method of bubble-particle capture efficiency. With this study, we can illuminate the characteristics of four typical dynamic process under different conditions, such as various bubble sizes, floating speeds, the bubbles number densities, and so on, understand the inherent law of the influence of different surfactants (and other additives) in different concentrations on the oil removal efficiency, and reveal the relationship between bubbles-oil droplets adhesion and particles separation synergies. Therefore, the theoretical base is provided for quantitative design of the enhancement of degreasing process by bubbles in the swirl flow field.

基于环境治理和污染物资源化利用的现实需求，含油污水中微量油类的分离已成为当今水治理领域的研究热点。本项目以开发气泡强化旋流分离技术系统为目标，基于微流控的气泡-油滴相互作用的原位观察实验系统，采用实验测定、计算机模拟和理论研究相结合的方法，研究气泡大小与水－气界面油分子的空间密度分布，观测水化层变薄、破裂的规律特性，发展一种用于确定气泡-颗粒捕获效率的新方法。阐明四个典型动力学过程在不同气泡大小、上浮速度、气泡数密度等条件下的特性，掌握不同表面活性剂（以及其它添加剂）在不同浓度下对除油的影响的内在规律，揭示气泡-油滴粘附和颗粒分离协同效应的关系。通过研究，为气泡强化旋流分离系统的量化设计提供理论基础。

本项目以含油乳化废水的两相分离问题为研究背景，综合应用理论分析、高速摄像和相位多普勒粒子分析（PDPA）等方法，系统地研究水中气泡-油滴的碰撞规律，以及旋流场内部气-水-油多相流场，确定了基于气泡捕获效率的理论设计方法，形成气泡强化旋流除油新工艺。针对气泡-油滴碰撞后的动力学行为，通过高速摄像捕捉油滴的包裹和铺展过程，探索不同气泡尺寸、油滴属性对于排液和铺展时间规律的影响，同时采用理论分析方法，耦合Stefan-Reynolds平坦薄膜排水模型和DLVO（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）方程，获得影响气-液之间薄膜厚度的预测模型；研究了旋流场内部单相及气-油-水多相流场结构和存在特征，形成基于流动特性研究的理论设计方法。在此基础上，开发气泡强化旋流除油系统，实现了冷轧废水气泡旋流强化除油工艺应用，取得了良好的应用效果。在项目执行期间，共发表SCI论文14篇；研究成果及衍生成果申请国家发明专利4项，其中已经授权的2项；项目获得上海市青年杰出贡献奖（2019年），中国青年科技奖（2018年）；项目负责人获批第四批国家“万人计划”科技创新领军人才。