一种利用磁性纳米颗粒连续分离、收集微藻的装置

1.本发明涉及微藻收集分离装置技术领域，具体为一种利用磁性纳米颗粒连续分离、收集微藻的装置。


背景技术：

2.微藻是一类分布广泛、个体小、繁殖快、营养丰富且光合利用度高的自养型微生物，其油脂面积产率高，单位面积的产油率是其他油料作物的20-400倍，且微藻大多分布在江海湖泊中，不与农作物争地，条件适宜情况下可整年生长。在环境保护上，高密度藻水体的藻类生物质快速收集处理是应对突发水环境问题的瓶颈问题；在能源转型上，藻类生物质的资源化利用对缓解能源危机具有重要意义。因此，无论是在环境还是在能源层面上，高效收集微藻生物质具有深远的现实意义。微藻细胞体积微小(3-30μm)，藻细胞表面带有负电荷，常规的采收难度和成本较高。目前有关收集微藻的方法大多效率低下或成本较高。
3.目前藻类生物质的收集方式有絮凝法、过滤法、离心法和沉淀法等。絮凝法需要添加絮凝剂，不仅价格昂贵而且可能对水体产生污染；过滤法因为微藻极小不能使用普通滤布和滤纸，只能采用微滤和超滤方式，但效率低下，容易堵塞滤孔；离心法多采用高剪切机，使用中成本过高，噪音较大，使用区域狭隘；沉淀法虽然比较经济环保，但用时过长，效率低下；沉淀法虽然比较经济环保，但沉淀时间过长，效率低下。再比如专利号cn102453669a(微藻收集装置和微藻收集方法)所示的装置，不同于传统沉淀法，它运用三根杠杆和十四个集板通过控制倾斜角度来收集沉降后的微藻，虽然可以避免沉淀时间过长或减少沉降时间导致沉降的微藻数目过少的问题，但是并没有改变一般微藻自然沉降的概率——静置24小时只有60％左右的沉降效果。此外，外界环境容易扰动水体影响最终沉降效果。另有专利号cn108569816a(一种水处理微藻收集装置)介绍的处理装置包括微藻吸附罐、微藻收集罐、磁介质分离罐和磁介质清洗回收罐等。该装置工程量较大，技术要求较高，只能用于工厂化生产。


技术实现要素：

4.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种利用磁性纳米颗粒连续分离、收集微藻的装置，基于磁性纳米颗粒对微藻的吸附性，结合往复式刮板结构和精确控制系统，较好地解决了传统方法工程量大、效率低、能耗高、不经济的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供一种利用磁性纳米颗粒连续分离、收集微藻的装置，包括水泵、混合系统、分离系统、收集系统和控制系统；
7.所述混合系统包括储水箱、置于储水箱内的搅拌装置和设在储水箱上方的磁性纳米颗粒存储释放装置，用于定时、定量向储水箱释放磁性纳米颗粒，与储水箱中的微藻形成磁-藻混合物；
8.所述分离系统包括u型分离槽、刮板、驱动装置，所述u型分离槽倾斜设置，其两端
分别通过软管与储水箱连通，在u型分离槽于储水箱的连通处均设有电磁阀；所述u型分离槽包括半圆形分离槽和设在半圆形分离槽两端的直管；所述半圆形分离槽内设有水位报警装置，底部设有磁场强度可调的电磁铁；所述刮板垂直置于半圆形分离槽内并与其内壁相切，所述刮板与驱动装置传动连接；
9.所述收集系统包括微藻收集罐和清夜收集罐，两个微藻收集罐分别位于半圆形分离槽与直管连接处的正下方，在半圆形分离槽与直管连接处设有通孔并安装有电磁阀，通过控制电磁阀的开合，使分离后的磁-藻混合物落入微藻收集罐；所述清液收集罐设置在半圆形分离槽的最低端，在半圆形分离槽的最低端开设有泄水口并安装电磁阀，通过控制电磁阀的开合，使分离后的清液落入收集罐，方便后期转移处理；
10.所述控制系统包括内置计时器、存储器的控制器，所述水泵、搅拌装置、磁性纳米颗粒存储释放装置、水位报警装置、电磁铁、电磁阀均与控制器电性连接。
11.优选地，所述磁性纳米颗粒存储释放装置包括漏斗形的磁性纳米颗粒存储装置和位于磁性纳米颗粒存储装置下端的计量泵、电磁阀，所述计量泵、电磁阀与所述控制器电性连接。
12.优选地，所述直管靠近软管的一端高于另一端，整体与水平面呈2
°
夹角；所述半圆形分离槽靠近直管的一端高于另一端，整体与水平面呈3
°
夹角；u型分离槽整体呈倾斜状态，有利于利用水体自重实现自流，节约能源。
13.优选地，所述分离系统还包括支架，所述u型分离槽固定于支架上端，保证稳定性。
14.优选地，所述驱动装置包括传动连接的伺服电机和正反转减速箱，所述刮板通过连杆与正反转减速箱连接，通过控制伺服电机的工作时间，实现刮板在特定时间内由半圆形分离槽得一端转动至另一端，实现间歇运行的目的。
15.优选地，所述电磁铁产生间歇式磁场，作用区域为刮板运动区域。
16.优选地，所述半圆形分离槽材质微聚乙烯，聚乙烯具有抗腐蚀、耐磨、寿命长、抗冲击性好的特点。
17.优选地，所述储水箱采用玻璃钢材质，其侧壁设有体积刻度线，玻璃钢无锈蚀以确保能长期储水，不导电，对存放磁性纳米颗粒不会产生影响，且便于安装、清洗和维修。
18.更为优选地，所述储水箱侧壁设有透明观察窗，所述体积刻度线设在透明观察窗上，利于观察储水箱内的水量。
19.优选地，在所述水泵与储水箱的连接管道上设有流量计，所述流量计与所述控制器电性连接；通过观察进水含微藻浓度和进水量，便于计算出需要的磁性纳米颗粒用量。
20.本发明的有益效果在于：通过磁场作用使磁性纳米颗粒与微藻结合，使微藻从水-藻混合液中分离，同时，由于纳米磁性颗粒具有的易吸附、生物相容性好的优点，对微藻本身不会造成破坏。通过外部磁场的作用，在磁-藻混合物定向移动的过程中，将结合物吸附在管壁，最后利用刮板刮取完成收集，实现分离。整个装置无须投加絮凝剂、能够实现精细化控制，具有效率高、能耗低、经济适用的优势。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例提供的一种利用磁性纳米颗粒连续分离、收集微藻的装置的结构示意图；
23.图2为图1去除侧固式刀柄后的结构侧视图；
24.图3为侧固式刀柄的结构俯视图。
25.附图标记说明：1、水泵；2、混合系统；3、分离系统；4、收集系统；5、流量计；6、软管；21、储水箱；22、搅拌装置；23、磁性纳米颗粒存储装置；24、计量泵；25、电磁阀；26、透明观察窗；31、u型分离槽；32、刮板；33、驱动装置；34、支架；35、连杆；311、半圆形分离槽；312、直管；313、电磁铁；41、微藻收集罐；42、清液收集罐。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.实施例1，如图1至图3所示，一种利用磁性纳米颗粒连续分离、收集微藻的装置，包括水泵1、混合系统2、分离系统3、收集系统4和控制系统；
28.混合系统2包括储水箱21、置于储水箱21内的搅拌装置22和设在储水箱21上方的磁性纳米颗粒存储释放装置，磁性纳米颗粒存储释放装置包括漏斗形的磁性纳米颗粒存储装置23和位于磁性纳米颗粒存储装置23下端的计量泵24、电磁阀25a，计量泵24、电磁阀25a与控制器电性连接,用于定时、定量向储水箱21释放磁性纳米颗粒，与储水箱21中的微藻形成磁-藻混合物；
29.在水泵1与储水箱21的连接管道上设有流量计5，流量计5与控制器电性连接；
30.储水箱21采用玻璃钢材质，侧壁设有透明观察窗26，体积刻度线设在透明观察窗26上；
31.分离系统3包括u型分离槽31、刮板32、驱动装置33，u型分离槽31固定于支架34上端，u型分离槽31倾斜设置，其两端分别通过软管6与储水箱21连通，在u型分离槽31与软管6的连通处均设有电磁阀25b、25c；u型分离槽31包括半圆形分离槽311和设在半圆形分离槽311两端的直管312，直管312靠近通过软管6的一端高于另一端，整体与水平面呈2
°
夹角；半圆形分离槽311靠近直管312的一端高于另一端，整体与水平面呈3
°
夹角；
32.半圆形分离槽311内设有水位报警装置，底部设有磁场强度可调的电磁铁313，电磁铁313产生间歇式磁场，作用区域为刮板32运动区域；刮板32垂直置于半圆形分离槽311内并与其内壁相切，驱动装置33包括传动连接的伺服电机和正反转减速箱，刮板32通过连杆35与正反转减速箱连接；
33.收集系统4包括微藻收集罐41和清液收集罐42，两个微藻收集罐41分别位于半圆形分离槽311与直管312连接处的正下方，在半圆形分离槽311与直管312连接处设有通孔并安装有电磁阀25d、25e，通过控制电磁阀25d、25e的开合，使分离后的磁-藻混合物落入微藻收集罐41；清液收集罐42设置在半圆形分离槽311的最低端，在半圆形分离槽311的最低端
开设有泄水口并安装电磁阀25f，通过控制电磁阀25f的开合，使分离后的清液落入清液收集罐42；
34.控制系统包括内置计时器、存储器的控制器，水泵1、搅拌装置22、计量泵24、水位报警装置、电磁铁313、电磁阀25a、25b、25c、25d、25e、25f均与控制器电性连接。
35.本装置工作原理如下：
36.1)水泵1抽取目标水体中的高密度水-藻混合液进入储水箱21；
37.2)根据流量计5示数获取待处理的高密度水-藻混合液的体积，结合目标水体中微藻的浓度，计算出磁性纳米颗粒的投加量；
38.3)控制器开启储水箱21上方的电磁阀25a，同时启动计量泵24，向储水箱21内泵入特定量的磁性纳米颗粒，搅拌装置22启动，将磁性纳米颗粒和微藻混合均匀，形成磁-藻混合物(此时刮板32位于电磁阀25e处)；
39.4)打开任意一个位于直管312靠近储水箱21处的电磁阀25b，含有磁性纳米颗粒的水-藻混合液在重力作用下自流进入半圆形分离槽311，在刮板32的阻挡下，半圆形分离槽311内的水位不断上涨，待水位报警装置监测到水位达到一定高度后，关闭电磁阀25b，启动电磁铁313，电磁铁313的磁场强度可根据进水的微藻浓度作适应性调整，将磁-藻混合物吸附在半圆形分离槽311内壁，待一段时间后，关闭电磁铁313，启动位于半圆形分离槽311的最低端的电磁阀25f，将分离后的清液排入清液收集罐42，待清液排净后，电磁阀25b、25f关闭，伺服电机控制刮板32由电磁阀25e端向电磁阀25d端转动，此时，位于直管312与半圆形分离槽311的连接处的电磁阀25d打开，刮板32将磁-藻混合物刮至直管312与半圆形分离槽311的连接处并掉入微藻收集罐41，实现正向分离；
40.5)正向分离完成后，刮板32位于电磁阀25e处，此时，打开另一个位于直管312靠近储水箱21处的电磁阀25c，含有磁性纳米颗粒的水-藻混合液在重力作用下自流进入半圆形分离槽311，在刮板32的阻挡下，半圆形分离槽311内的水位不断上涨，待水位报警装置监测到水位达到一定高度后，关闭电磁阀25c，启动电磁铁313，将磁-藻混合物吸附在半圆形分离槽311内壁，待一段时间后，关闭电磁铁313，启动位于半圆形分离槽311的最低端的电磁阀25f，将分离后的清液排入清液收集罐42，待清液排净后，电磁阀25c、25f关闭，伺服电机控制刮板32由电磁阀25d端向电磁阀25e端转动，此时，位于直管312与半圆形分离槽311的连接处的电磁阀25e打开，刮板32将磁-藻混合物刮至直管312与半圆形分离槽311的连接处并掉入微藻收集罐41，完成逆向分离；
41.6)如此往复，实现连续式分离收集。
42.在其他实施例中遇到目标水体中微藻的浓度的不同时，可对计量泵24的参数进行适应性的调整，在此本技术不做过多叙述。
43.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。