降低煤表面纳米气泡提高生物产气实验装置及其工作方法与流程

1.本发明涉及煤层气增产实验技术领域，具体的说，涉及一种降低煤表面纳米气泡提高生物产气实验装置及其工作方法。


背景技术：

2.煤层气作为一种非常规天然气，是一种新型清洁的能源，其存在潜在的经济效益和广阔的发展前景，煤层气的开发具有减灾和降低温室效应等意义。在众多煤层气增产技术中，微生物增产煤层气技术以其绿色、无污染、能够产生新的煤层气等特点，已成为当前研究的热点。微生物增产煤层气可通过添加营养物质、利用碱水解和木质酶前处理、化学、生物和物理预处理等方法提高煤的生物甲烷产量。但近期界面科学最新研究表明，纳微尺度界面的化学性质对于相界面传递过程影响显著，疏水表面往往存在稳定性极高的纳米气泡，这层气泡很难用温度、压力、浓度等宏观调控手段脱除。产甲烷菌产生的甲烷气体会在细胞膜表面富集大量的“纳米气泡”，抑制细胞自身养料的供给，不利于其生存，导致“底物难进，产物难出”，造成速率低下。上述基础研究启发我们：如果能减少生物发酵过程中的纳米气泡，这对于在温和条件下强化煤转化为生物甲烷意义重大。由此亟需一种降低煤表面纳米气泡提高生物产气的实验装置，以丰富煤层气生物工程理论，深入分析与把握煤转化生物气的产出机制，指导利用微生物增产煤层气的工作，进而推动世界煤层气增产技术的发展。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种降低煤表面纳米气泡提高生物产气实验装置及其工作方法，本发明在煤生物发酵过程实现负压的产生，促进煤表面纳米气泡的消除，还能对纳米气泡可视化过程进行全程观测，同时对煤生物发酵后产生的气体和液体进行检测，以评价煤生物产气和煤降解效果。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：降低煤表面纳米气泡提高生物产气实验装置，包括生物产气箱体、氮气瓶、真空泵、移动式格挡组件、伸缩式机械臂、气泡监测系统、气液收集测试系统和计算机，生物产气箱体为具有夹层结构的长方体箱体，夹层结构为电加热夹层，生物产气箱体内中部左侧固定设置有分隔挡板，分隔挡板与生物产气箱体的左侧板平行，分隔挡板将生物产气箱体内部左右分隔为厌氧发酵区和压力调控区，分隔挡板的下侧边固定连接在生物产气箱体内底面上，分隔挡板的前侧边固定连接在生物产气箱体内前面上，分隔挡板的后侧边固定连接在生物产气箱体内后面上，分隔挡板的上侧边与生物产气箱体内顶面之间具有间隙，生物产气箱体的顶部左侧设置有与厌氧发酵区相连通且带加料盖的底物加料口，氮气瓶的出气口通过气体输送管路与厌氧发酵区连通，真空泵的抽吸口通过抽真空管路与厌氧发酵区连通，移动式格挡组件密封左右滑动设置在压力调控区内，伸缩式机械臂沿左右方向水平设置在压力调控区内且位于移动式格挡组件和生物产气箱体的右侧板之间，伸缩式机械臂的
两端分别固定连接在移动式格挡组件和生物产气箱体的右侧板上，生物产气箱体的外部设置有控制伸缩式机械臂工作的控制开关按钮，气泡监测系统固定设置在厌氧发酵区内顶面，气液收集测试系统分别通过气体检测管路和液体收集管路与厌氧发酵区连接，计算机分别与电加热夹层、伸缩式机械臂、控制开关按钮和气泡监测系统信号连接。
5.生物产气箱体内设置有温度传感器和压力传感器，压力传感器位于厌氧发酵区，生物产气箱体的外部设置有温度监测报警装置和压力监测报警装置，温度传感器与温度监测报警装置信号连接，压力传感器与压力监测报警装置信号连接，计算机分别与温度监测报警装置和压力监测报警装置信号连接。
6.移动式格挡组件包括方形格挡活塞，方形格挡活塞与生物产气箱体的左侧板平行，方形格挡活塞的前侧面与生物产气箱体的内前面滑动接触，方形格挡活塞的后侧面与生物产气箱体的内后面滑动接触，方形格挡活塞的顶部和底部均转动安装有若干个滚轮，上侧的各个滚轮的上侧部与生物产气箱体的内顶面滚动接触，下侧的各个滚轮的下侧部与生物产气箱体的内底面滚动接触，方形格挡活塞的左侧面中部固定设置有红外测距传感器，伸缩式机械臂的左端固定连接在方形格挡活塞的右侧面中部，伸缩式机械臂的左端固定连接在生物产气箱体的右侧板内侧面中部，计算机与红外测距传感器信号连接。
7.气泡监测系统包括电子探测眼，电子探测眼固定安装在厌氧发酵区内顶面，电子探测眼的摄像头向下拍摄，电子探测眼通过影像监测传感器与计算机信号连接。
8.气液收集测试系统包括多功能气液分析检测装置、液体收集罐和蠕动泵，生物产气箱体的左侧板上部设置有与厌氧发酵区连通的气体排出口，多功能气液分析检测装置的进气口与气体排出口通过气体检测管路连接，生物产气箱体的底板左侧部设置有与厌氧发酵区连通的液体排出口，液体排出口处设置有滤膜，液体排出口与液体收集罐的进液口通过液体收集管连接，蠕动泵安装在液体收集管上，气体检测管路上设置有气体排出阀，液体收集管上设置有液体排出阀，液体收集罐的出液口与多功能气液分析检测装置的进液口通过液体检测管路连接。
9.降低煤表面纳米气泡提高生物产气实验装置的工作方法，具体包括以下步骤：（1）、打开加料盖，通过底物加料口将不同粒径的煤和富集好的菌液加入到生物产气箱体内的厌氧发酵区，再安装好加料盖，密封封堵底物加料口，然后打开真空泵，真空泵通过抽真空管路对生物产气箱体内部进行抽真空，抽真空完成后，关闭真空泵并打开氮气瓶的出气口，通过气体输送管路向生物产气箱体内部充氮气，直至生物产气箱体内压力为一个大气压，实现相对的厌氧环境；（2）、设置生物产气箱体内部温度，打开电加热夹层进行加热，通过温度传感器对生物产气箱体内部温度进行实时监测，一旦生物产气箱体内部温度超出设定的温度，则温度监测报警装置将报警信息传输给计算机，计算机控制电加热夹层关闭，实施冷却降温，维持生物产气箱体内部处于恒温状态，实现对生物产气箱体内部温度的控制；（3）、煤生物发酵3day后，打开控制开关按钮，伸缩式机械臂开始工作，伸缩式机械臂带动方形格挡活塞在生物产气箱体的压力调控区内向右有规律地移动，方形格挡活塞带动各个滚轮滚动，从而改变厌氧发酵区与相连通的压力调控区左侧部空间大小，使厌氧发酵区处于负压，则煤表面的纳米气泡便会溶解破裂，进而消除纳米气泡对细菌生长的影响，提高煤发酵生物产气效果，负压的持续时间通过方形格挡活塞的移动速度进行控制，通过
红外测距传感器计算测得方形格挡活塞移动的距离和速度，以便有效控制方形格挡活塞的移动，分隔挡板可以阻断煤、菌液的移动，使煤、菌液处于一个相对稳定的状态，从而以便有效观测气泡，厌氧发酵区的压力变化通过压力传感器进行监测，一旦压力出现异常，则压力监测报警装置将报警信息反馈到计算机，提示工作人员暂停实验；（4）、煤生物发酵过程中，电子探测眼始终处于打开状态，通过电子探测眼对纳米气泡的可视化过程进行观测，利用成像技术分析纳米气泡的成核、生长、合并、溶解过程，电子探测眼所测的影像通过影像监测传感器传输到计算机；（5）、煤生物发酵完成后产生的气体通过气体排出口排出，打开气体排出阀，则气体通过气体检测管路输送到多功能气液分析检测装置中进行检测，以分析煤生物产气效果；（6）、煤生物发酵产生的液相产物通过液体排出口排出，通过滤膜进行过滤，实现固液分离，打开液体排出阀，启动蠕动泵，蠕动泵将厌氧发酵区内的液体通过液体收集管抽出并收集到液体收集罐中，液体收集罐中的液体通过液体检测管路流进多功能气液分析检测装置中进行检测，以评价煤降解效果。
10.本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明在煤生物发酵过程实现负压的产生，促进煤表面纳米气泡的消除，还能对纳米气泡可视化过程进行全程观测，同时对煤生物发酵后产生的气体和液体进行检测，以评价煤生物产气和煤降解效果。
附图说明
11.图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
12.以下结合附图进一步说明本发明的实施例。
13.如图1所示，降低煤表面纳米气泡提高生物产气实验装置，包括生物产气箱体1、氮气瓶2、真空泵3、移动式格挡组件、伸缩式机械臂4、气泡监测系统、气液收集测试系统和计算机5，生物产气箱体1为具有夹层结构的长方体箱体，夹层结构为电加热夹层6（夹层内部设置电加热棒），生物产气箱体1内中部左侧固定设置有分隔挡板7，分隔挡板7与生物产气箱体1的左侧板平行，分隔挡板7将生物产气箱体1内部左右分隔为厌氧发酵区和压力调控区，分隔挡板7的下侧边固定连接在生物产气箱体1内底面上，分隔挡板7的前侧边固定连接在生物产气箱体1内前面上，分隔挡板7的后侧边固定连接在生物产气箱体1内后面上，分隔挡板7的上侧边与生物产气箱体1内顶面之间具有间隙，生物产气箱体1的顶部左侧设置有与厌氧发酵区相连通且带加料盖30的底物加料口8，氮气瓶2的出气口通过气体输送管路9与厌氧发酵区连通，真空泵3的抽吸口通过抽真空管路10与厌氧发酵区连通，移动式格挡组件密封左右滑动设置在压力调控区内，伸缩式机械臂4沿左右方向水平设置在压力调控区内且位于移动式格挡组件和生物产气箱体1的右侧板之间，伸缩式机械臂4的两端分别固定连接在移动式格挡组件和生物产气箱体1的右侧板上，生物产气箱体1的外部设置有控制伸缩式机械臂4工作的控制开关按钮11，气泡监测系统固定设置在厌氧发酵区内顶面，气液收集测试系统分别通过气体检测管路和液体收集管路与厌氧发酵区连接，计算机5分别与电
加热夹层6、伸缩式机械臂4、控制开关按钮11和气泡监测系统信号连接。
14.生物产气箱体1内设置有温度传感器12和压力传感器13，压力传感器13位于厌氧发酵区，生物产气箱体1的外部设置有温度监测报警装置14和压力监测报警装置15，温度传感器12与温度监测报警装置14信号连接，压力传感器13与压力监测报警装置15信号连接，计算机5分别与温度监测报警装置14和压力监测报警装置15信号连接。
15.移动式格挡组件包括方形格挡活塞16，方形格挡活塞16与生物产气箱体1的左侧板平行，方形格挡活塞16的前侧面与生物产气箱体1的内前面滑动接触，方形格挡活塞16的后侧面与生物产气箱体1的内后面滑动接触，方形格挡活塞16的顶部和底部均转动安装有若干个滚轮17，上侧的各个滚轮17的上侧部与生物产气箱体1的内顶面滚动接触，下侧的各个滚轮17的下侧部与生物产气箱体1的内底面滚动接触，方形格挡活塞16的左侧面中部固定设置有红外测距传感器18，伸缩式机械臂4的左端固定连接在方形格挡活塞16的右侧面中部，伸缩式机械臂4的左端固定连接在生物产气箱体1的右侧板内侧面中部，计算机5与红外测距传感器18信号连接。
16.气泡监测系统包括电子探测眼19，电子探测眼19固定安装在厌氧发酵区内顶面，电子探测眼19的摄像头向下拍摄，电子探测眼19通过影像监测传感器20与计算机5信号连接。
17.气液收集测试系统包括多功能气液分析检测装置21、液体收集罐22和蠕动泵23，生物产气箱体1的左侧板上部设置有与厌氧发酵区连通的气体排出口，多功能气液分析检测装置21的进气口与气体排出口通过气体检测管路24连接，生物产气箱体1的底板左侧部设置有与厌氧发酵区连通的液体排出口，液体排出口处设置有滤膜25，液体排出口与液体收集罐22的进液口通过液体收集管26连接，蠕动泵23安装在液体收集管26上，气体检测管路24上设置有气体排出阀27，液体收集管26上设置有液体排出阀28，液体收集罐22的出液口与多功能气液分析检测装置21的进液口通过液体检测管路29连接。
18.降低煤表面纳米气泡提高生物产气实验装置的工作方法，具体包括以下步骤：（1）、打开加料盖30，通过底物加料口8将不同粒径的煤和富集好的菌液加入到生物产气箱体1内的厌氧发酵区，再安装好加料盖30，密封封堵底物加料口8，然后打开真空泵3，真空泵3通过抽真空管路10对生物产气箱体1内部进行抽真空，抽真空完成后，关闭真空泵3并打开氮气瓶2的出气口，通过气体输送管路9向生物产气箱体1内部充氮气，直至生物产气箱体1内压力为一个大气压，实现相对的厌氧环境；（2）、设置生物产气箱体1内部温度，打开电加热夹层6进行加热，通过温度传感器12对生物产气箱体1内部温度进行实时监测，一旦生物产气箱体1内部温度超出设定的温度，则温度监测报警装置14将报警信息传输给计算机5，计算机5控制电加热夹层6关闭，实施冷却降温，维持生物产气箱体1内部处于恒温状态，实现对生物产气箱体1内部温度的控制；（3）、煤生物发酵3day后，打开控制开关按钮11，伸缩式机械臂4开始工作，伸缩式机械臂4带动方形格挡活塞16在生物产气箱体1的压力调控区内向右有规律地移动，方形格挡活塞16带动各个滚轮17滚动，从而改变厌氧发酵区与相连通的压力调控区左侧部空间大小，使厌氧发酵区处于负压，则煤表面的纳米气泡便会溶解破裂，进而消除纳米气泡对细菌生长的影响，提高煤发酵生物产气效果，负压的持续时间通过方形格挡活塞16的移动速度
进行控制，通过红外测距传感器18计算测得方形格挡活塞16移动的距离和速度，以便有效控制方形格挡活塞16的移动，分隔挡板7可以阻断煤、菌液的移动，使煤、菌液处于一个相对稳定的状态，从而以便有效观测气泡，厌氧发酵区的压力变化通过压力传感器13进行监测，一旦压力出现异常，则压力监测报警装置15将报警信息反馈到计算机5，提示工作人员暂停实验；（4）、煤生物发酵过程中，电子探测眼19始终处于打开状态，通过电子探测眼19对纳米气泡的可视化过程进行观测，利用成像技术分析纳米气泡的成核、生长、合并、溶解过程，电子探测眼19所测的影像通过影像监测传感器20传输到计算机5；（5）、煤生物发酵完成后产生的气体通过气体排出口排出，打开气体排出阀27，则气体通过气体检测管路24输送到多功能气液分析检测装置21中进行检测，以分析煤生物产气效果；（6）、煤生物发酵产生的液相产物通过液体排出口排出，通过滤膜25进行过滤，实现固液分离，打开液体排出阀28，启动蠕动泵23，蠕动泵23将厌氧发酵区内的液体通过液体收集管26抽出并收集到液体收集罐22中，液体收集罐22中的液体通过液体检测管路29流进多功能气液分析检测装置21中进行检测，以评价煤降解效果。
19.伸缩式机械臂4、电加热夹层6、温度监测报警装置14、压力监测报警装置15、电子探测眼19、影像监测传感器20和多功能气液分析检测装置21均为本领域常规装置，具体构造和工作原理不再赘述。伸缩式机械臂4可以采用气缸、电动推杆、滚珠丝杠等直线驱动机构，电子探测眼19为高清摄像头。
20.以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。