异波扰流折板絮凝器对薄荷水提液的絮凝效果研究

冯 颖，张庆瑾，张天阳

(沈阳化工大学机械与动力工程学院，沈阳 110142)

中药作为中华民族优秀文化的一部分，以其安全性高、副作用小等优点受到越来越多人的青睐[1]。目前对中药液的除杂提纯方法一般有大孔树脂吸附法[2]、回流提取法[3]及中药絮凝技术[4]等。朱应怀等[5]运用陶瓷膜超滤技术对甘草中的甘草酸和甘草苷进行提纯处理。研究表明无机陶瓷膜孔径为10 nm、压力0.12 MPa及操作温度25 ℃为最佳操作工况，甘草中的除杂率为23.3%，甘草苷和甘草酸保留率分别为98.9%、99.3%。陈两绵等[6]运用γ-巯丙基键合硅胶对龙胆提取液中的镉以及杂质进行去除。研究表明当药材量与γ-巯丙基键合硅胶(MPS)质量比为25∶1时，镉离子去除率最高为81%。张建伟等[7]以壳聚糖为絮凝剂，对甘草水提液进行絮凝除杂处理。研究表明中药水提液的絮凝效果与ζ电位有关，当ζ电位接近等电点，絮凝剂投加量为0.347 g/L时，药液的澄清度最高，絮凝率可达93.58%以上。目前有关中药液的提纯与除杂的报道较多，但大多是研究除杂工艺对去除中药中杂质的影响。

目前絮凝器一般分为机械搅拌絮凝器[8]和挡板类絮凝器[9]，挡板絮凝器与机械搅拌絮凝器相比，具有结构简单，操作方便以及可以为絮凝反应提供良好水力条件的优点，从而为后续固液分离操作提供良好的操作条件。杨翼等[10]以原水浊度去除率为指标，考察在不同水力条件对同波折板絮凝池的絮凝效果的影响。研究表明同波折板絮凝器进口流速为0.011 3 m/s时，絮凝效果最好。Li等[11]对平面折板反应器和对折折板反应器在相同的水力停留条件下的混合模式及混合死水区进行了研究。研究表明对折折板反应器的混合死水区小于对平面折板反应器，并且对化学需氧量(COD)的去除效果要好于对平面折板反应器。蒋海燕等[12]比较了传统的折叠板絮凝器、微涡流絮凝器、反冲洗水回流沉淀絮凝器的性能。研究表明微涡絮凝可以提高絮凝效果，提高了絮凝体的沉降能力，与传统的折叠板絮凝器相比，经微涡流絮凝器处理后的污水中颗粒含量以及浊度均有所降低。目前对折板絮凝器的研究大多只是考察其内部流场特性以及对污水的絮凝效果，而考察折板絮凝器对中药液的净化除杂效果的研究鲜有报道。

为此，利用FLUENT软件对异波扰流折板絮凝器的内部流场进行模拟，得出絮凝器内流场的涡旋分布。以壳聚糖作为絮凝剂，通过实验考察不同进液流速下异波扰流折板絮凝器对薄荷水提液的絮凝情况，以药液澄清层高度、药液透光度、薄荷水提液絮体的沉降速度及絮体形态为指标，确定异波扰流折板絮凝器对薄荷水提液的最佳絮凝进液流速，为进一步优化折板絮凝器结构以及促进中药精制提供理论依据。

1 物理模型与数值计算方法

1.1 异波扰流折板絮凝器物理模型

异波扰流折板絮凝器的折板转角均为90°[13]，长、宽、高分别为60 mm、20 mm、230 mm，单个折板长度为30 mm，折板间距为10～50 mm，折板单元为8个，扰流单元为直径为5 mm的圆柱。3种折板絮凝器进口(出口)尺寸均为20 mm×10 mm×10 mm，异波扰流折板絮凝器物理模型如图1所示。

图1 异波扰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 数值方法

利用湍流模型对折板絮凝池内流态进行数值模拟，控制方程[14]如下。

(1)连续方程:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Su、Sv、Sw分别为x、y、z方向的应变张量；u、v、w分别对应x、y、z方向的速度分量；ρ为流体密度；t为时间；μ为动力黏度；P为压力。Su=Fx+sx,Sv=Fy+sy，Sw=Fz+sz，其中Fx、Fy、Fz为体积力，体积力只有重力时，其方向为沿y轴竖直向上，即Fy=-ρg,Fx=0,Fz=0；sx、sy、sz为小量，对于黏性为常数的不可压缩流体，sx=sy=sz=0。

(2)紊流方程为标准的k-ε双方程模型，对于不可压缩流体，方程为

(5)

(6)

式中：

(7)

(8)

式中：K方程的湍流普朗特数C1ε=1.44；K方程的湍流普朗特数C2ε=1.92；常数Cμ=0.09；σk=1.0，σε=1.3；σk、σε分别为与湍流动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；μt为湍流黏度，Gk为由于平均速度梯度引起的湍流能k的产生项；i、j=1，2，3。

1.3 网格划分

考虑到絮凝器的几何复杂程度，采用非结构化网格，网格数量为662 940。异波扰流折板絮凝器生成的网格进行自适应处理以提高絮凝器的网格质量。

1.4 边界条件

进口(出口)的流速为0.204 m/s，进口(出口)压力为标准大气压，絮凝器壁面为无滑移边界条件。

2 实验部分

2.1 实验材料

薄荷水提液配制：准确称取薄荷200 g，加去离子水浸泡20 min，向电煎密闭煎药机内加入去离子水2 216 mL，将浸泡好的薄荷加入煎药机内，设定在110 ℃下煎煮60 min，制取质量浓度为100 g/L的薄荷水提液。

壳聚糖(脱乙酰度≥90%)溶液配制：精确称量1.0 g壳聚糖，用体积分数为1%的乙酸溶液配制成质量浓度为10 g/L的壳聚糖溶液。

2.2 实验方法

2.2.1 絮凝效果实验

在温度为25 ℃时，向异波扰流折板絮凝器泵入薄荷水提液(每25 mL薄荷水提液中加入壳聚糖3 mL)，使异波扰流折板絮凝器的进液速度分别为0.204、0.102、0.068、0.051、0.041 m/s，将出口药液引入量筒中，观察絮体沉降现象，测量薄荷水提液澄清层高度以及絮体沉降速度。

2.2.2 药液吸光度测量

取5 mL原药液注入石英比色皿(光程1 cm)中，以蒸馏水为对照，采用紫外/可见分光光度计对原药液进行全波段扫描(190～1 100 nm)，测得波峰在450 nm处。取5 mL待测样品的上清液，以蒸馏水为对照，在450 nm波长下测其透光值。

2.2.3 絮体分形维数计算

用引流管将试管底部沉淀物引导入载玻片，用烘干箱加热载玻片使絮体干燥脱水。将干燥后的絮体放入数码显微镜载物台上进行拍摄，运用图像分析软件Image-pro Plus分析拍摄的絮凝体图像，可以得出絮凝体的投影面积(A)和周长(P)，采用图像法[15]，利用絮凝体的面积(A)和周长(P)的函数关系来计算絮凝体的二维分形维数。函数关系为

A∝PDf

(9)

对式(9)求自然对数，则有

lnA=DflnP+lnα1

(10)

式中：P为絮凝体的周长；L为投影的最大长度；A为絮凝体的投影面积；Df为二维分形维数；α1为比例常数。

3 结果与讨论

3.1 异波扰流折板絮凝器流场模拟结果与特性分析

图2为异波扰流折板絮凝器在进液流速为0.204 m/s时的流场模拟图。由图2可知，在异波扰流折板絮凝器中，液体经过絮凝器产生的涡旋主要存在于扰流体(圆柱)后方以及折板两侧。这是由于在异波扰流折板絮凝器中，由于“收缩-扩放”效应，流体流经对转折凸角处的速度变化较大，因此发生边界层分离现象，流体由于惯性的影响，在絮凝器两侧产生双侧涡旋。由圆柱扰流原理[16-17]可知，流体流经扰流单元(圆柱)时，流体在扰流单元(圆柱)前端的压力从自由压力上升为停滞压力，前缘附近的高流体压力推动流体流动，边界层与扰流单元表面后每一层分开并形成两个剪切层，跟随在流动的后侧并限制尾流，并在扰流单元后面形成微小的涡旋。

图2 异波扰流折板絮凝器流场模拟图Fig.2 Flow field simulation diagram of the opposite folded-plate with baffle flow flocculator

3.2 异波扰流折板絮凝器絮凝效果分析

经异波扰流折板絮凝器处理后的薄荷水提液澄清层高度曲线和絮体沉降速度曲线如图3、图4所示。由图3可知，随着沉降时间的延长，薄荷水提液澄清层高度逐渐增加，在250 min后逐渐趋于不变。由图4可知，薄荷水提液中的絮体沉降速度随着沉降时间的增加先升高后降低。随着进液流速升高，药液澄清层高度以及絮体沉降速度均呈现下降的趋势，在进液流速为0.041 m/s时，絮体沉降速度最快，且药液澄清层高度最高。由表1可知，当进液流速为0.041 m/s时，薄荷水提液吸光度最低。综上所述，当异波扰流折板絮凝器的进液流速为0.041 m/s时，异波扰流折板絮凝器对薄荷水提液的絮凝效果最好。分析其原因为：当药液流经异波扰流折板絮凝器时，由于絮凝器内扰流体(圆柱)的存在，发生圆柱扰流现象，圆柱扰流现象会起到减缓流速并增加微涡旋的作用，有利于絮凝剂与药液中杂质颗粒的碰撞，得到较好的絮凝效果。随着进液流速的增加，折板两侧产生的涡旋会产生较强的剪切力，此时产生较大的剪切力容易破坏已结团的絮团，不利于絮团的继续结大，亦不能得到较好的絮凝效果。

图3 不同进液速度下经异波扰流絮凝器处理后的薄荷水提液的澄清层高度变化曲线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

图4 不同进液速度下经异波扰流絮凝器处理后的薄荷水提液的沉降速度变化曲线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 不同进液流速下经异波扰流折板絮凝器处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 絮体形态比较

图5(a)～图5(e)分别为经显微镜拍摄的异波扰流折板絮凝器在进液流速为0.204、0.102、0.068、0.051、0.041 m/s下生成的薄荷水提液的絮体形状图。对比5张图片可知，随着进液流速的降低，经异波扰流折板絮凝器处理后形成的絮体含水量较逐渐减少，孔隙率逐渐降低。故当进液流速为0.041 m/s时，生成的絮体密实度最大。

图5 不同进液流速下经异波扰流折板絮凝器处理后的薄荷水提液的絮体图Fig.5 Images of peppermint water-extraction floc by the opposite folded-plated with baffle flow flocculator at different inlet speeds

由于絮体的分形维数与絮体尺寸、密度、强度和沉降速率等均有着密切的关系[18]。故可以更好地判定进液流速为何值时产生的絮体密实度最大。利用图像法[15]计算絮体的分形维数，测得各絮体平面投影面积(A)和周长(P)，根据公式(12)得到絮体分形维数图如6所示。由图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。由图6可知，随着进液流速的降低，经异波扰流折板絮凝器处理的薄荷水提液的絮体分形维数逐渐变大，在进液流速为0.041 m/s时达到最大，这表明在进液流速为0.041 m/s时，经异波扰流折板絮凝器处理的薄荷水提液生成的絮体密实度最大，絮凝效果最好。这是由于当进液流速较大，即药液的流速较大时，异波扰流折板絮凝器中产生涡旋尺寸变大、涡旋能量提升，此时涡旋产生的剪切力也随之变大，对絮体的破坏程度加剧，无法生成高密实度絮体，随着进液流速的降低，涡旋对絮体的破坏程度随之减弱，由于圆柱扰流的原因，一部分能量转化为涡旋，增加了小涡旋的数量，有助于絮团颗粒的碰撞，生成较为密实的絮体。

图6 不同进液流速下经异波扰流折板絮凝器生成絮体的分形维数图Fig.6 Fractal dimension of different flocs by the opposite folded-plated with baffle flow flocculator at different inlet speeds

4 结论

(1)由FLUENT模拟可知，在进液流速为0.041 m/s时，在异波扰流折板絮凝器中，扰流体后方及折板两侧均产生漩涡。

(2)利用异波扰流折板絮凝器在不同进液流速下对薄荷水提液进行絮凝处理。随着进液流速的升高，经异波扰流折板絮凝器处理过的薄荷水提液的澄清液高度及沉降速度均呈现出下降 趋势，药液吸光度随着流速的升高而变大。

(3)对各进液流速下经异波扰流折板絮凝器处理的薄荷水提液生成的絮体进行显微图像以及分形维数分析，絮体密实度与絮体分形维数随着进液流速的降低而变大。