靜態螺旋切割裝置制備富氧水及工藝優化

程 坤，蔣建忠，崔政偉，于 鵬

（江南大學 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫214122）

富氧水是指通過專門的設備和工藝，在生產或生活用水中加入氧的成分，使水中的含氧量達到20 mg/L以上[1]。在生物發酵、醫學、水污染治理等領域，水體溶氧都是一項非常重要的指標[2]。然而在常溫常壓下，氧氣在純水中的溶解度只有8 mg/L左右。

水體增氧的途徑可分為曝氣增氧[3]和膜法增氧[4]。但曝氣增氧存在著增氧效果差，水電能耗大，導致生產成本高的缺點。膜法增氧雖然在工業生產中得到應用[5-6]，但富氧膜維護困難，容易堵塞，使用壽命短。

研究發現，水中的微納米氣泡具有很強的滯留性，同時內壓較大，在緩慢上升的過程中由于自降壓效應，能夠爆裂溶解于液體中，較高的溶解能力可為水體提供高含量的溶解氧[7]。作者研制了一種快速生成微納米氣泡制備富氧水的裝置，生產過程綠色環保、能耗低、成本遠低于使用曝氣增氧和富氧膜技術[8-9]。分析不同因素對該裝置制備富氧水含氧量的動態影響，并設計多因素正交試驗進行工藝優化。

1 材料與方法

1.1 螺旋切割裝置

圖1為靜態螺旋切割器結構簡圖，主要有外管道和腔芯兩部分組成，腔芯由厚度為0.08 mm的切割葉片按照螺旋線方程通過軸一片片串起疊加形成，腔芯采用變螺距設計，即由流體入口的大螺距過渡為流體出口的小螺距（見圖2），形成空間螺旋面。螺旋面函數表達式為

式中：X、Y、Z為空間螺旋面上任意點的坐標值；R為螺旋切割片半徑；θ為螺旋旋轉角度；L為螺旋面長度：m為變螺距系數，取值范圍0～1。螺旋表面由于切割葉片的疊加呈階梯狀，由于變螺距螺旋機構的特點，氣液混合溶液從導流錐一側流入，在一定的壓力下流經切割器，當流經空間螺旋面時，使得兩相流中的氧氣泡在流經階梯狀螺旋表面時，在空間X、Y、Z3個方向均受到剪切力，可實現氣泡的切割細化，氧氣大氣泡可切割成微納米氣泡，流場邊界即為切割葉片螺旋形成的階梯狀切割刃。

所述的螺旋切割器之所以又稱之為靜態螺旋切割器，是因為它無需額外的旋轉動力裝置，為了保證切割效果，試驗中管道內的氣水混合溶液在一定的壓力（≥0.10 MPa）條件下通過螺旋切割腔，因為切割腔體是由離散化切割葉片疊加旋轉形成的，表面呈階梯狀，氣液兩相流在受到剪切力的同時，在腔體內部也會形成旋流場[10]，形成馬格納斯力，同時氣液兩相流在切割腔內螺旋流動，使得氣液兩相流能夠充分與切割腔表面接觸，即可實現氣體和水的微納米量級的切割細化和混合，消耗能量極少。

圖2 腔芯Fig.2 Cavity core

1.2 工藝設備組成

實驗室搭建的富氧水制備裝置，見圖3。

圖3 富氧水制備裝置結構簡圖Fig.3 Sketch map of a device in producing oxygenenriched water

其中，靜態螺旋切割器（主要技術參數見表1）：自制；DBY-10電動隔膜泵：上海開隸泵業有限公司；WFL不銹鋼精密過濾器：無錫市凡宇水處理機械制造有限公司；SJZ紫外線殺菌器：無錫市凡宇水處理機械制造有限公司；GZ系列微電腦液體灌裝機：溫州市申陽電泵制造有限公司；溶解氧分析儀HI4421（測量精度為0.01 mg/L）：意大利哈納水質分析儀器（北京）公司。

表1 靜態螺旋切割器主要技術參數Table 1 Main structural parameters of static spiral cutting device

1.3 試驗方法與過程

采用圖3所示富氧水制備裝置，試驗過程中管路液體壓力由0.1級的精密壓力表讀出；管路液體流量由手持式超聲流量計DTFX1020（精度為±1.0%，上海迪納聲科技有限公司）測出；氧氣壓力由精度為±1.5%FS的氣體壓力表測出；氧氣流量由精度為2.5級的氣體流量計測出；富氧水含氧量由HI4421溶解氧分析儀測出。

試驗以醫用氧和地下水（經測定含氧量為8.69 mg/L）為試驗原料，使用搭建的試驗裝置進行富氧水的制備試驗。試驗中水的壓力變動范圍控制在0.10～0.40 MPa，由液體壓力表及控制閥控制。水的流量調節通過控制閥及超聲波流量計測定，為保證水量滿足試驗要求，試驗中水的流量變動范圍控制在0.40～0.80 m3/h。裝置中管道布置均為水平管，且管口為大氣壓，考慮到靜態螺旋切割器內部特殊的變螺距結構的特點，為了得出其是否對管道中液體流速產生影響，根據伯努利方程和流體力學公式進行試驗驗證。

式中：P、ρ、v分別為流體的壓強、密度和線性速度；h為鉛垂高度；g為重力加速度；C為常量，Q為體積流量；v為平均流速；A為有效管道截面積 （按內徑計算）。計算得到DN25的管道有效橫截面積近似為0.000 615 m2，試驗中液體壓力P通過靜態螺旋切割器進水端和出水端的液體壓力表讀出。由于試驗中管路是水平布置，所以式（2）中h進=h出。

靜態螺旋切割器管徑沒有變化，A不變，裝置管路都是水平布置，故h沒有變化，且Q進=Q出，通過分析式（3）和式（4）不難得出，理論上v進=v出。 代入式（2），P與表2中數值平均偏差可根據式（5）計算。

計算得出 3次試驗的平均偏差e＝4.733%＜5.0%，在試驗設計的允許偏差之內，得出實際測量的P值與理論情況吻合，即驗證了靜態螺旋切割器的設計對于管道內液體的流速變化基本沒有影響，液體壓強損失不超過5.0%。

表2 壓力表測定值Table 2 Value of pressure gauge

該裝置可實現氣液體微納米化切割細化。在混合溶液流經切割腔的過程中，可以將氧氣泡切割成微納米量級小氣泡，且微納米氣泡具有特殊性質[11]。比如微納米量級氣泡具有良好的滲透性和溶解性，能夠強化氣液之間傳質過程[12]，使氧氣能夠較好地溶解于水中。

為保證良好的試驗效果，在試驗過程中分析發現，氧氣壓力、氧氣流量、水的壓力、水的流量這4種因素對制備富氧水的含氧量影響最大，是主要影響因素，所以在單因素試驗過程中選擇氧氣壓力，氧氣流量，水的壓力，水的流量作為試驗研究的變量因素。并且根據本設備的生產能力，為了將能耗降到最低，優化試驗對氣和水的使用，確定氧氣壓力的試驗范圍為0.15～0.25 MPa，氧氣流量的試驗范圍是0.6～1.20 L/min，水壓的試驗范圍是0.1～0.40 MPa，為保證水量滿足試驗要求，水的流量試驗范圍定為 0.40～0.80 m3/h。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析及數據分析

2.1.1 氧氣流量V0及壓力P0與含氧量的關系圖4（a）為氧氣流量與含氧量的關系圖，試驗過程中恒定氧氣壓力為0.25 MPa，水壓為0.40 MPa，水的流量為0.80 m3/h。可以看出富氧水含氧量隨氧氣流量的增加而增大，當氧氣流量達到0.60 L/min以上時，由于氣水比的不斷增加到最大，富氧水中的含氧量隨著氧氣流量的增大緩慢增加，當氧氣流量達到0.90 L/min時，在此條件下氣液兩相流的氣液比基本達到峰值，管道內氧氣溶解量基本達到上限，水體溶氧趨于飽和水平，富氧水含氧量基本趨于穩定狀態。

圖4（b）是根據試驗結果繪制的氧氣壓力與含氧量的關系圖，試驗過程中恒定氧氣流量為1.00 L/min，水壓為0.40 MPa，水的流量為0.80 m3/h。可以看出富氧水含氧量隨氧氣壓力的增大含氧量先緩慢增加，當氧氣壓力達到0.10 MPa以上時，由于氧氣快速攝入，富氧水中的含氧量隨著氧氣壓力顯著增大，當壓力達到0.25 MPa以后，由于氣壓過大容易造成紊流，不利于氣液的良好混合，液體溶氧會稍微降低。此后繼續增加氧氣壓力，富氧水的含氧量不再有實質性的影響，含氧量基本保持在一個穩定狀態。

2.1.2 水的流量V水及壓力P水與含氧量的關系圖5（a）是根據試驗結果繪制水的流量與含氧量的關系，實驗過程中恒定氧氣流量為1.00 L/min，氧氣壓力為0.25 MPa，水的壓力為0.40 MPa。可以看出，水的流量對于制備的富氧水的含氧量也有著很大的影響，當水的流量達到0.60 m3/h時，富氧水含氧量增速基本趨于平緩，達到0.70 m3/h。富氧水含氧量基本趨于飽和，此后隨著水的流量的增加含氧量受到通入氧氣量的限制，含氧量會降低。

圖4 氧氣流量及壓力與含氧量的關系Fig.4 Relation between oxygen flow rates&pressure and oxygen content

圖5 （b）圖是根據試驗結果繪制的水的壓力與含氧量的關系圖，實驗過程中恒定氧氣流量為1.00 L/min，氧氣壓力為0.25 MPa，水的流量為0.80 m3/h。可以看出，由于水壓對靜態螺旋切割裝置切割氣液混合溶液的效果有著很大的影響，當水的壓力小于0.10 MPa的時候，氣液兩相流通過切割器的時候基本上不受到切割力，所以對于富氧水的含氧量影響很小，但是當水的壓力達到0.10 MPa并持續增大的時候，由于氣液兩相流受到切割力的作用，富氧水含氧量快速增加，當水的壓力達到0.40 MPa以上時，在此條件下雖然液體流速快，切割力增大，但是受到氧氣通入量的局限，此后富氧水含氧量基本保持穩定狀態。

圖5 水的流量及壓力與含氧量的關系Fig.5 Relation between water flow rates&pressure and oxygen content

2.2 正交試驗

根據單因素試驗結果，分別以氧氣流量A、氧氣壓力B、水的流量C、水的壓力D為因素變量，假設各因素之間不存在交互作用。在各因素較好的取值范圍內，每個因素取較好的3個水平進行三水平正交試驗設計。根據因素及水平的劃分，采用4因素3水平的正交試驗矩陣，選用正交表L9（34），并按照表3設置的工藝參數進行模擬試驗，試驗結果見表3。分析這些參數對于溶氧率的影響規律，從而得出最佳工藝參數組合。

表3 試驗因素水平劃分以及試驗方案與結果Table 3 Experimental factors levels division and experimental scheme and results

2.2.1 極差分析通過比較極差（R）的大小可判別出試驗因素的影響程度，極差值越大說明該因素對富氧水含氧量影響就越大，根據富氧水含氧量的測試結果以及對極差的分析來看，4個富氧水制備的工藝參數對富氧率的影響程度的強弱排序依次是：D＞A＞C＞B。

為便于從圖形上更清晰的看出含氧量隨各工藝參數變化的趨勢關系，作出其對應的水平趨勢，見圖6。A2B2C2D3稱為全體水平組合中關于含氧量的可能好的水平組合。即選用氧氣流量為0.90 L/min，氧氣壓力為0.20 MPa，水的流量為0.70 m3/h，水的壓力為0.40 MPa。當氧氣流量為0.90 L/min，氧氣壓力為0.20 MPa，水的流量為0.70 m3/h時，水的壓力為0.40 MPa，通過多次試驗，此時制得的富氧水含氧量平均值為45.12 mg/L，因此，A2B2C2D3可以作為使用本裝置制備富氧水的最優工藝參數組合。

圖6 水平趨勢圖Fig.6 Horizontal trend chart

2.2.2 方差分析利用SAS軟件對上表試驗進行方差分析，運行程序結果見表4。由于每個因素自由度為2，合計模型自由度8，9－1－8=0即誤差自由度為0，從而無法產生統計量F和相應概率值Pr，但從平方和分解中可以看出因素效應大小的順序，便看出因素B是不顯著的，故可以去除因素B后進入Statistic Factorial ANOVA重新分析得到表5。通過SAS運行程序結果可以看出D（水的壓力）對含氧量的影響是高度顯著的（因為其Pr>F值小于0.01），A（氧氣流量）、C（水的流量）對含氧量的影響是顯著的（因為其Pr>F值介于0.01和0.05之間），其影響程度從小到大依次為DACB，這與極差分析的結果是一致的。

表4 SAS程序運行結果Table 4 SAS program running results

表5 方差分析表Table 5 Analysis of variance table

2.2.3 穩定性分析按照最佳的參數組合，通過實驗制備富氧水，用容量為550 mL的礦泉水瓶灌裝72瓶，并用保鮮膜封裝，在常溫常壓下保存作為樣品。按照試驗安排，從第1天開始，每天隨機從保存的樣品中取出3瓶，進行含氧量檢測，然后取平均值作為檢測結果。持續15 d之后，考慮到測量結果衰減變化的穩定性，此后同樣的方法每隔5 d測量一次。通過60 d的測定，對富氧水的含氧量隨時間變化的情況，數值統計見表6。可以發現，富氧水含氧量會隨著時間推移緩慢降低。當保存60 d以后，氧氣含量依然保持在25 mg/L以上，仍然滿足富氧水對于含氧量達到20 mg/L以上的要求。

表6 含氧量衰減時間統計Table 6 Statistical table on attenuation time of oxygen content

3 結 語

1）根據單因素試驗分析研究發現，氧氣流量、氧氣壓力、水的流量、水的壓力各自對溶氧量的影響趨勢基本一致，先逐漸增大，后趨于平緩。設計正交試驗，通過極差分析發現其主要工藝參數對制備富氧水含氧量影響強弱排序依次是：水的壓力＞氧氣流量＞水的流量＞氧氣壓力。對正交試驗數據通過SAS軟件進行方差分析，發現其影響因素強弱的結果和極差分析結果相吻合。

2）通過試驗得到制備高含氧量富氧水的最優工藝參數組合為A2B2C2D3。即選用氧氣流量為0.9 L/min，氧氣壓力為0.2 MPa，水的流量為0.7 m3/h，水的壓力為0.4 MPa，利用最佳參數組合制備的富氧水含氧量可達45.12 mg/L，較優化前調高了32.40%。同時，本研究成果也為微納米氣泡的應用研究提供一定的基礎。