異波擾流折板絮凝器對薄荷水提液的絮凝效果研究

馮 穎，張慶瑾，張?zhí)礻?/p>

(沈陽化工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，沈陽 110142)

中藥作為中華民族優(yōu)秀文化的一部分，以其安全性高、副作用小等優(yōu)點受到越來越多人的青睞[1]。目前對中藥液的除雜提純方法一般有大孔樹脂吸附法[2]、回流提取法[3]及中藥絮凝技術(shù)[4]等。朱應(yīng)懷等[5]運用陶瓷膜超濾技術(shù)對甘草中的甘草酸和甘草苷進(jìn)行提純處理。研究表明無機(jī)陶瓷膜孔徑為10 nm、壓力0.12 MPa及操作溫度25 ℃為最佳操作工況，甘草中的除雜率為23.3%，甘草苷和甘草酸保留率分別為98.9%、99.3%。陳兩綿等[6]運用γ-巰丙基鍵合硅膠對龍膽提取液中的鎘以及雜質(zhì)進(jìn)行去除。研究表明當(dāng)藥材量與γ-巰丙基鍵合硅膠(MPS)質(zhì)量比為25∶1時，鎘離子去除率最高為81%。張建偉等[7]以殼聚糖為絮凝劑，對甘草水提液進(jìn)行絮凝除雜處理。研究表明中藥水提液的絮凝效果與ζ電位有關(guān)，當(dāng)ζ電位接近等電點，絮凝劑投加量為0.347 g/L時，藥液的澄清度最高，絮凝率可達(dá)93.58%以上。目前有關(guān)中藥液的提純與除雜的報道較多，但大多是研究除雜工藝對去除中藥中雜質(zhì)的影響。

目前絮凝器一般分為機(jī)械攪拌絮凝器[8]和擋板類絮凝器[9]，擋板絮凝器與機(jī)械攪拌絮凝器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便以及可以為絮凝反應(yīng)提供良好水力條件的優(yōu)點，從而為后續(xù)固液分離操作提供良好的操作條件。楊翼等[10]以原水濁度去除率為指標(biāo)，考察在不同水力條件對同波折板絮凝池的絮凝效果的影響。研究表明同波折板絮凝器進(jìn)口流速為0.011 3 m/s時，絮凝效果最好。Li等[11]對平面折板反應(yīng)器和對折折板反應(yīng)器在相同的水力停留條件下的混合模式及混合死水區(qū)進(jìn)行了研究。研究表明對折折板反應(yīng)器的混合死水區(qū)小于對平面折板反應(yīng)器，并且對化學(xué)需氧量(COD)的去除效果要好于對平面折板反應(yīng)器。蔣海燕等[12]比較了傳統(tǒng)的折疊板絮凝器、微渦流絮凝器、反沖洗水回流沉淀絮凝器的性能。研究表明微渦絮凝可以提高絮凝效果，提高了絮凝體的沉降能力，與傳統(tǒng)的折疊板絮凝器相比，經(jīng)微渦流絮凝器處理后的污水中顆粒含量以及濁度均有所降低。目前對折板絮凝器的研究大多只是考察其內(nèi)部流場特性以及對污水的絮凝效果，而考察折板絮凝器對中藥液的凈化除雜效果的研究鮮有報道。

為此，利用FLUENT軟件對異波擾流折板絮凝器的內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，得出絮凝器內(nèi)流場的渦旋分布。以殼聚糖作為絮凝劑，通過實驗考察不同進(jìn)液流速下異波擾流折板絮凝器對薄荷水提液的絮凝情況，以藥液澄清層高度、藥液透光度、薄荷水提液絮體的沉降速度及絮體形態(tài)為指標(biāo)，確定異波擾流折板絮凝器對薄荷水提液的最佳絮凝進(jìn)液流速，為進(jìn)一步優(yōu)化折板絮凝器結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)中藥精制提供理論依據(jù)。

1 物理模型與數(shù)值計算方法

1.1 異波擾流折板絮凝器物理模型

異波擾流折板絮凝器的折板轉(zhuǎn)角均為90°[13]，長、寬、高分別為60 mm、20 mm、230 mm，單個折板長度為30 mm，折板間距為10～50 mm，折板單元為8個，擾流單元為直徑為5 mm的圓柱。3種折板絮凝器進(jìn)口(出口)尺寸均為20 mm×10 mm×10 mm，異波擾流折板絮凝器物理模型如圖1所示。

圖1 異波擾流折板絮凝器物理模型Fig.1 Physical model of the opposite folded-plate with baffle flow flocculator

1.2 數(shù)值方法

利用湍流模型對折板絮凝池內(nèi)流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，控制方程[14]如下。

(1)連續(xù)方程:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Su、Sv、Sw分別為x、y、z方向的應(yīng)變張量；u、v、w分別對應(yīng)x、y、z方向的速度分量；ρ為流體密度；t為時間；μ為動力黏度；P為壓力。Su=Fx+sx,Sv=Fy+sy，Sw=Fz+sz，其中Fx、Fy、Fz為體積力，體積力只有重力時，其方向為沿y軸豎直向上，即Fy=-ρg,Fx=0,Fz=0；sx、sy、sz為小量，對于黏性為常數(shù)的不可壓縮流體，sx=sy=sz=0。

(2)紊流方程為標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型，對于不可壓縮流體，方程為

(5)

(6)

式中：

(7)

(8)

式中：K方程的湍流普朗特數(shù)C1ε=1.44；K方程的湍流普朗特數(shù)C2ε=1.92；常數(shù)Cμ=0.09；σk=1.0，σε=1.3；σk、σε分別為與湍流動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)；μt為湍流黏度，Gk為由于平均速度梯度引起的湍流能k的產(chǎn)生項；i、j=1，2，3。

1.3 網(wǎng)格劃分

考慮到絮凝器的幾何復(fù)雜程度，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為662 940。異波擾流折板絮凝器生成的網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)處理以提高絮凝器的網(wǎng)格質(zhì)量。

1.4 邊界條件

進(jìn)口(出口)的流速為0.204 m/s，進(jìn)口(出口)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，絮凝器壁面為無滑移邊界條件。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

薄荷水提液配制：準(zhǔn)確稱取薄荷200 g，加去離子水浸泡20 min，向電煎密閉煎藥機(jī)內(nèi)加入去離子水2 216 mL，將浸泡好的薄荷加入煎藥機(jī)內(nèi)，設(shè)定在110 ℃下煎煮60 min，制取質(zhì)量濃度為100 g/L的薄荷水提液。

殼聚糖(脫乙酰度≥90%)溶液配制：精確稱量1.0 g殼聚糖，用體積分?jǐn)?shù)為1%的乙酸溶液配制成質(zhì)量濃度為10 g/L的殼聚糖溶液。

2.2 實驗方法

2.2.1 絮凝效果實驗

在溫度為25 ℃時，向異波擾流折板絮凝器泵入薄荷水提液(每25 mL薄荷水提液中加入殼聚糖3 mL)，使異波擾流折板絮凝器的進(jìn)液速度分別為0.204、0.102、0.068、0.051、0.041 m/s，將出口藥液引入量筒中，觀察絮體沉降現(xiàn)象，測量薄荷水提液澄清層高度以及絮體沉降速度。

2.2.2 藥液吸光度測量

取5 mL原藥液注入石英比色皿(光程1 cm)中，以蒸餾水為對照，采用紫外/可見分光光度計對原藥液進(jìn)行全波段掃描(190～1 100 nm)，測得波峰在450 nm處。取5 mL待測樣品的上清液，以蒸餾水為對照，在450 nm波長下測其透光值。

2.2.3 絮體分形維數(shù)計算

用引流管將試管底部沉淀物引導(dǎo)入載玻片，用烘干箱加熱載玻片使絮體干燥脫水。將干燥后的絮體放入數(shù)碼顯微鏡載物臺上進(jìn)行拍攝，運用圖像分析軟件Image-pro Plus分析拍攝的絮凝體圖像，可以得出絮凝體的投影面積(A)和周長(P)，采用圖像法[15]，利用絮凝體的面積(A)和周長(P)的函數(shù)關(guān)系來計算絮凝體的二維分形維數(shù)。函數(shù)關(guān)系為

A∝PDf

(9)

對式(9)求自然對數(shù)，則有

lnA=DflnP+lnα1

(10)

式中：P為絮凝體的周長；L為投影的最大長度；A為絮凝體的投影面積；Df為二維分形維數(shù)；α1為比例常數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 異波擾流折板絮凝器流場模擬結(jié)果與特性分析

圖2為異波擾流折板絮凝器在進(jìn)液流速為0.204 m/s時的流場模擬圖。由圖2可知，在異波擾流折板絮凝器中，液體經(jīng)過絮凝器產(chǎn)生的渦旋主要存在于擾流體(圓柱)后方以及折板兩側(cè)。這是由于在異波擾流折板絮凝器中，由于“收縮-擴(kuò)放”效應(yīng)，流體流經(jīng)對轉(zhuǎn)折凸角處的速度變化較大，因此發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象，流體由于慣性的影響，在絮凝器兩側(cè)產(chǎn)生雙側(cè)渦旋。由圓柱擾流原理[16-17]可知，流體流經(jīng)擾流單元(圓柱)時，流體在擾流單元(圓柱)前端的壓力從自由壓力上升為停滯壓力，前緣附近的高流體壓力推動流體流動，邊界層與擾流單元表面后每一層分開并形成兩個剪切層，跟隨在流動的后側(cè)并限制尾流，并在擾流單元后面形成微小的渦旋。

圖2 異波擾流折板絮凝器流場模擬圖Fig.2 Flow field simulation diagram of the opposite folded-plate with baffle flow flocculator

3.2 異波擾流折板絮凝器絮凝效果分析

經(jīng)異波擾流折板絮凝器處理后的薄荷水提液澄清層高度曲線和絮體沉降速度曲線如圖3、圖4所示。由圖3可知，隨著沉降時間的延長，薄荷水提液澄清層高度逐漸增加，在250 min后逐漸趨于不變。由圖4可知，薄荷水提液中的絮體沉降速度隨著沉降時間的增加先升高后降低。隨著進(jìn)液流速升高，藥液澄清層高度以及絮體沉降速度均呈現(xiàn)下降的趨勢，在進(jìn)液流速為0.041 m/s時，絮體沉降速度最快，且藥液澄清層高度最高。由表1可知，當(dāng)進(jìn)液流速為0.041 m/s時，薄荷水提液吸光度最低。綜上所述，當(dāng)異波擾流折板絮凝器的進(jìn)液流速為0.041 m/s時，異波擾流折板絮凝器對薄荷水提液的絮凝效果最好。分析其原因為：當(dāng)藥液流經(jīng)異波擾流折板絮凝器時，由于絮凝器內(nèi)擾流體(圓柱)的存在，發(fā)生圓柱擾流現(xiàn)象，圓柱擾流現(xiàn)象會起到減緩流速并增加微渦旋的作用，有利于絮凝劑與藥液中雜質(zhì)顆粒的碰撞，得到較好的絮凝效果。隨著進(jìn)液流速的增加，折板兩側(cè)產(chǎn)生的渦旋會產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切力，此時產(chǎn)生較大的剪切力容易破壞已結(jié)團(tuán)的絮團(tuán)，不利于絮團(tuán)的繼續(xù)結(jié)大，亦不能得到較好的絮凝效果。

圖3 不同進(jìn)液速度下經(jīng)異波擾流絮凝器處理后的薄荷水提液的澄清層高度變化曲線Fig.3 Variation of the height of the clarified layer of the peppermint water-extract after treated by the opposite folded-plated with baffle flow flocculator at different inlet speeds

圖4 不同進(jìn)液速度下經(jīng)異波擾流絮凝器處理后的薄荷水提液的沉降速度變化曲線Fig.4 Variation curve of sedimentation velocity of peppermint water-extract t after treated by the opposite folded-plated with baffle flow flocculator at different inlet speeds

表1 不同進(jìn)液流速下經(jīng)異波擾流折板絮凝器處理后的薄荷水提液吸光度Table 1 Absorbance of peppermint water-extract after treated by the opposite folded-plated with baffle flow flocculator at different inlet speeds

3.3 絮體形態(tài)比較

圖5(a)～圖5(e)分別為經(jīng)顯微鏡拍攝的異波擾流折板絮凝器在進(jìn)液流速為0.204、0.102、0.068、0.051、0.041 m/s下生成的薄荷水提液的絮體形狀圖。對比5張圖片可知，隨著進(jìn)液流速的降低，經(jīng)異波擾流折板絮凝器處理后形成的絮體含水量較逐漸減少，孔隙率逐漸降低。故當(dāng)進(jìn)液流速為0.041 m/s時，生成的絮體密實度最大。

圖5 不同進(jìn)液流速下經(jīng)異波擾流折板絮凝器處理后的薄荷水提液的絮體圖Fig.5 Images of peppermint water-extraction floc by the opposite folded-plated with baffle flow flocculator at different inlet speeds

由于絮體的分形維數(shù)與絮體尺寸、密度、強(qiáng)度和沉降速率等均有著密切的關(guān)系[18]。故可以更好地判定進(jìn)液流速為何值時產(chǎn)生的絮體密實度最大。利用圖像法[15]計算絮體的分形維數(shù)，測得各絮體平面投影面積(A)和周長(P)，根據(jù)公式(12)得到絮體分形維數(shù)圖如6所示。由圖6可知，Df 0.204 m/s=1.188 57、Df 0.102 m/s=1.246 07、Df 0.068 m/s=1.449 98、Df 0.051 m/s=1.451 78、Df 0.041 m/s=1.463 04。由圖6可知，隨著進(jìn)液流速的降低，經(jīng)異波擾流折板絮凝器處理的薄荷水提液的絮體分形維數(shù)逐漸變大，在進(jìn)液流速為0.041 m/s時達(dá)到最大，這表明在進(jìn)液流速為0.041 m/s時，經(jīng)異波擾流折板絮凝器處理的薄荷水提液生成的絮體密實度最大，絮凝效果最好。這是由于當(dāng)進(jìn)液流速較大，即藥液的流速較大時，異波擾流折板絮凝器中產(chǎn)生渦旋尺寸變大、渦旋能量提升，此時渦旋產(chǎn)生的剪切力也隨之變大，對絮體的破壞程度加劇，無法生成高密實度絮體，隨著進(jìn)液流速的降低，渦旋對絮體的破壞程度隨之減弱，由于圓柱擾流的原因，一部分能量轉(zhuǎn)化為渦旋，增加了小渦旋的數(shù)量，有助于絮團(tuán)顆粒的碰撞，生成較為密實的絮體。

圖6 不同進(jìn)液流速下經(jīng)異波擾流折板絮凝器生成絮體的分形維數(shù)圖Fig.6 Fractal dimension of different flocs by the opposite folded-plated with baffle flow flocculator at different inlet speeds

4 結(jié)論

(1)由FLUENT模擬可知，在進(jìn)液流速為0.041 m/s時，在異波擾流折板絮凝器中，擾流體后方及折板兩側(cè)均產(chǎn)生漩渦。

(2)利用異波擾流折板絮凝器在不同進(jìn)液流速下對薄荷水提液進(jìn)行絮凝處理。隨著進(jìn)液流速的升高，經(jīng)異波擾流折板絮凝器處理過的薄荷水提液的澄清液高度及沉降速度均呈現(xiàn)出下降 趨勢，藥液吸光度隨著流速的升高而變大。

(3)對各進(jìn)液流速下經(jīng)異波擾流折板絮凝器處理的薄荷水提液生成的絮體進(jìn)行顯微圖像以及分形維數(shù)分析，絮體密實度與絮體分形維數(shù)隨著進(jìn)液流速的降低而變大。