一种固碳过程中气泡运动与CO2吸收率测量的装置和方法

测量装置的制造及其应用技术一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的装置和方法技术领域1.本发明涉及一种固碳过程中气泡动力学行为与co2吸收率测量的装置和方法，属于资源与环境技术领域。背景技术：2.随着化石能源的燃烧，温室效应不断加剧，因此co2减排成为全球关注的焦点问题。常见的减排方法包括物理吸附化学吸收法、封存法以及生物固碳法。封存法一般是将co2气体注入地质层、海洋等，但大量co2的压缩运输储存成本较高，且封存的co2存在泄露风险。因此，目前研究较多的减排方法是物理化学吸收以及生物固碳的方法。3.物理化学吸收主要是利用吸附材料或化学吸收剂，将通入的co2捕获至吸附材料表面和吸收剂溶液里，生物法是利用生物的光合作用将co2吸收利用，其中微藻是生物固碳较为常见光合微生物。这两种方法一般都是将co2通入反应器内，由反应器中的吸附材料、吸收剂和光合微生物等吸收。但目前研究大多是关注co2的最终吸收效果，对co2吸收利用的微观过程研究较少，因此有必要开发一种能够在显示气泡在反应器内部的动力学行为同时反映co2溶解传质的方法及装置。技术实现要素：4.本发明的目的是提供一种固碳过程中气泡动力学行为与co2吸收率测量的装置及方法，使用一台高速摄像机观测气泡在液体中的运动行为并通过ph计、溶解氧仪和co2分析仪反映co2溶解吸收情况，可以研究co2浓度、气体分布器孔径、曝气速率等因素对气泡运动行为和co2溶解传质的影响，该装置将气泡动力学行为和co2溶解行为同时捕捉，从而更深入地分析co2在溶液里的流动与传质现象。5.本发明提供了一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的装置，包括配气系统、柱状鼓泡光生物反应器、数据采集系统和高速摄像系统；6.所述配气系统包括不同浓度的co2气瓶、减压阀和气体流量计，所述减压阀的一端与co2气瓶连接，另一端与气体流量计的进气口相连；7.所述柱状鼓泡光生物反应器内底部设有气体分布器，所述气体分布器与所述气体流量计相连，co2气瓶中的co2经气体分布器进入到装有溶液的柱状鼓泡光生物反应器中，形成气泡流被柱状鼓泡光生物反应器内的溶液吸收利用；柱状鼓泡光生物反应器的顶部设置有亚克力板盖和出气孔，柱状鼓泡光生物反应器内设有ph计探头和溶解氧探头进口，所述ph计探头和溶解氧探头位于柱状鼓泡光生物反应器内部的中间位置；8.所述数据采集系统包括ph计、溶解氧仪和co2分析仪，所述ph计与柱状鼓泡光生物反应器内的ph计探头连接，ph计用于测量柱状鼓泡光生物反应器内的ph值；所述溶解氧仪与柱状鼓泡光生物反应器内的溶解氧探头连接，溶解氧仪用于测量柱状鼓泡光生物反应器内的溶解氧值；所述co2分析仪与出气孔相连；9.所述高速摄像系统包括高速摄像机、led光源以及背景板，所述led光源用于照射所述柱状鼓泡光生物反应器，所述高速摄像机位于所述柱状鼓泡光生物反应器的一侧，背景板位于所述柱状鼓泡光生物反应器的另一侧，高速摄像机用于对柱状鼓泡光生物反应器内的气泡运动过程进行拍摄并录像。10.在本发明的一种实施方式中，还包括数据处理系统，所述数据处理系统与所述高速摄像机数据连接；所述柱状鼓泡光生物反应器内的溶液包括不同浓度的藻液和co2吸收剂溶液；所述气体流量计包括玻璃转子流量计。11.本发明还提供了一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的方法，包括以下步骤：12.步骤一：配置不同浓度的光合微生物或co2吸收剂溶液；13.步骤二：将配置好的溶液倒入柱状鼓泡光生物反应器中，开启电源，打开数据处理系统软件motion studio，与高速摄像机进行连接；14.步骤三：检查整个气路，打开减压阀，调整气体流量计至确定流量，气体流量计连接到气体分布器上，随后将溶液缓慢的倒入柱状鼓泡光生物反应器中，盖上盖子，插入ph计探头和溶解氧探头至柱状鼓泡光生物反应器中间位置，将出气孔与co2分析仪相连，通气前在柱状鼓泡光生物反应器旁平行放置一个标尺，为后续图像处理提供实际尺寸参考；15.步骤四：向柱状鼓泡光生物反应器内的溶液中通气20min，通气稳定时拍摄气泡运动行为；16.步骤五：通过ph计、溶解氧仪和co2分析仪实时监测ph、溶解氧和出气孔co2浓度的变化，并计算co2吸收率和co2体积传质系数；17.步骤六：实验结束，首先关闭减压阀，将溶液从柱状鼓泡光生物反应器中倒出，然后关闭led光源，关闭高速摄像机，最后关闭电源。18.在本发明的一种实施方式中，所述数据处理系统2采用image j软件，首先利用image j软件将拍摄图像中的标尺画出一段直线，与实际标尺长度比较进而设置换算关系，确定气泡上升过程中的一段距离代表的真实距离；然后，将柱状鼓泡光生物反应器以垂直方向划分5个区域；从柱状鼓泡光生物反应器底部到顶部的0-4cm为一个区域、4-8cm为一个区域、8-12cm为一个区域、12-16cm为一个区域、16-20cm为一个区域；然后，对图像进行预处理，在不改变原图像素的情况下，将原始图像转化为灰度图像；然后，对图像进行二值化处理，剔除图像背景，凸显气泡轮廓；然后，对气泡图像进行孔洞填充以及粘连气泡分割，然后，对气泡面积、数量等参数进行检测；然后，根据气泡在每个区域内的运动距离除以所用时间得到气泡的上升速度，取5个区域计算得到的平均值。19.在本发明的一种实施方式中，所述co2体积传质系数由溶解氧的变化得到，c*为该温度和压力下的液相中饱和溶解氧浓度，c为液相溶解氧浓度，kla为体积传质系数；由co2体积传质系数与o2体积传质系数关系计算得到co2的体积传质系数。20.在本发明的一种实施方式中，所述co2吸收率由进出气口的co2浓度计算得到，计算公式为cin为进气口co2浓度，cout为出气孔处的co2浓度。21.在本发明的一种实施方式中，通过所述ph计上ph的变化反映co2溶解吸收的速率。22.本发明还提供了一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的方法用于模拟螺旋藻液固碳过程中在不同曝气条件下气泡运动参数及co2溶解吸收情况的测定，包括以下步骤：23.步骤一：利用光照培养箱对螺旋藻进行大量的培养；24.步骤二：配置不含nahco3的zarrouk培养基，将螺旋藻接种到该培养基中，接种密度为0.3g/l，藻液体积为300ml，倒入内径为40mm，高30cm的反应器中，开启电源，打开数据处理系统软件motion studio，与高速摄像机进行连接；25.步骤三：检查整个气路，分别选用5％co2、10％co2和15％co2浓度的气瓶打开减压阀，调整质子流量计至确定流量0.1vvm，流量计连接到孔径10μm的气体分布器上，随后将藻液缓慢的倒入柱式光生物反应器中，通气前在反应器旁平行放置一个标尺，为后续图像处理提供参考；26.步骤四：向藻液中通气20min，通气稳定时拍摄气泡运动行为；27.步骤五：通过ph计、溶解氧仪和co2分析仪实时监测藻液ph、溶解氧和co2出口浓度的变化，并计算co2吸收率和co2体积传质系数；28.步骤六：实验结束，首先关闭减压阀，将0.3g/l的藻液从柱式反应器中倒出，然后关闭led光源，关闭高速摄像机，最后关闭电源。29.本发明还提供了一种固碳过程中co2气泡运动与co2吸收率测量的方法用于模拟柱状鼓泡光生物反应器内不同螺旋藻密度下气泡运动参数的测定及co2吸收率的测定，包括以下步骤：30.步骤一：利用光照培养箱对螺旋藻进行大量的培养；31.步骤二：配置不含nahco3的zarrouk培养基，将螺旋藻接种到该培养基中，接种密度分别为0.3g/l、0.5g/l、1.0g/l，藻液体积均为300ml，倒入内径为40mm，高30cm的反应器中，开启电源，打开数据处理系统软件motion studio，与高速摄像机进行连接；32.步骤三：检查整个气路，分别选用5％co2浓度的气瓶打开减压阀，调整质子流量计至确定流量0.1vvm，流量计连接到孔径10μm的气体分布器上，随后将藻液缓慢的倒入柱式光生物反应器中，通气前在反应器旁平行放置一个标尺，为后续图像处理提供参考；33.步骤四：向藻液中通气20min，通气稳定时拍摄气泡运动行为；34.步骤五：通过ph计、溶解氧仪和co2分析仪实时监测藻液ph、溶解氧和出气口co2浓度的变化，并计算co2吸收率和co2体积传质系数；35.步骤六：实验结束，首先关闭减压阀，将藻液从柱式反应器中倒出，然后关闭led光源，关闭高速摄像机，最后关闭电源。36.本发明还提供了一种固碳过程中co2气泡运动与co2吸收率测量的方法用于模拟柱式反应器内不同吸收剂下气泡运动参数及co2吸收率的测定，包括以下步骤：37.步骤一：配置不同浓度的单乙醇胺、聚乙二醇、碳酸钾；38.步骤二：将配置好的吸收剂倒入内径为40mm，高30cm的反应器中，开启电源，打开数据处理系统软件motion studio，与高速摄像机进行连接；39.步骤三：检查整个气路，打开减压阀，调整气体流量计至确定流量0.1vvm，气体流量计连接到孔径10μm的气体分布器上，随后将吸收剂溶液缓慢的倒入柱状鼓泡光生物反应器中，通气前在反应器旁平行放置一个标尺，为后续图像处理提供参考；40.步骤四：向吸收剂溶液中通气20min，通气稳定时拍摄气泡运动行为；41.步骤五：通过ph计和co2分析仪实时监测藻液ph和co2出口浓度的变化，并计算co2吸收率；42.步骤六：实验结束，首先关闭减压阀，将吸收剂从柱状鼓泡光生物反应器中倒出，然后关闭led光源，关闭高速摄像机，最后关闭电源。43.有益效果44.本发明可以在不同浓度的co2、不同气体分布器孔径、不同曝气流量的曝气条件，以及不同的co2溶解吸收体系中，对反应器内的气泡动力学进行观察与研究，考虑了ph、溶解氧和co2分析仪的实时监测记录，得到了不同条件下co2溶解吸收的效果；拍摄到了反应器中气泡运动的清晰影像，可对气泡尺寸、数量、上升速度等参数进行分析。该系统能够为固碳系统中co2溶解吸收及气泡动力学行为提供参考依据。附图说明45.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。46.图1是本发明固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的装置的总体结构示意图；47.图中：1、led光源；2、数据处理系统；3、高速摄像机；4、co2分析仪；5、出气孔；6、柱状鼓泡光生物反应器；7、气体分布器；8、背景板；9、溶解氧仪；10、ph计；11、气体流量计；12、减压阀；13、co2气瓶。具体实施方式48.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。49.实施例150.本实施例提供了一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的装置，如图1所示，包括配气系统、柱状鼓泡光生物反应器6、数据采集系统和高速摄像系统；51.所述配气系统包括不同浓度的co2气瓶13、减压阀12和气体流量计11，所述减压阀12的一端与co2气瓶13连接，另一端与气体流量计11的进气口相连，通过减压阀12使得co2从co2气瓶13中稳定流出，再经气体流量计11调节气体流速；52.所述柱状鼓泡光生物反应器6为有机玻璃板制作而成，透光性良好，不影响柱状鼓泡光生物反应器6内部流体运动行为的拍摄，柱状鼓泡光生物反应器6内底部设有气体分布器7，所述气体分布器7与所述气体流量计11相连，co2气瓶13中的co2经气体分布器7进入到装有溶液的柱状鼓泡光生物反应器6中，形成气泡流被柱状鼓泡光生物反应器6内的溶液吸收利用；柱状鼓泡光生物反应器6的顶部设置有亚克力板盖和出气孔5，柱状鼓泡光生物反应器6内设有ph计探头和溶解氧探头进口，所述ph计探头和溶解氧探头位于柱状鼓泡光生物反应器6内部的中间位置；53.所述数据采集系统包括ph计10、溶解氧仪9和co2分析仪4，所述ph计10与柱状鼓泡光生物反应器6内的ph计探头连接，ph计10用于测量柱状鼓泡光生物反应器6内的ph值；所述溶解氧仪9与柱状鼓泡光生物反应器6内的溶解氧探头连接，溶解氧仪9用于测量柱状鼓泡光生物反应器6内的溶解氧值；所述co2分析仪4与出气孔5相连；54.所述高速摄像系统包括高速摄像机3、led光源1以及背景板8，所述led光源1用于照射所述柱状鼓泡光生物反应器6，所述高速摄像机3位于所述柱状鼓泡光生物反应器6的一侧，背景板8位于所述柱状鼓泡光生物反应器6的另一侧，高速摄像机3用于对柱状鼓泡光生物反应器6内的气泡运动过程进行拍摄并录像，所述背景板8为黑色背景板，led光源1为高速摄像机3提供更高的进光量，使高速摄像机3的曝光度充足，背景板8减少了光的散射，使得拍摄图像更加清晰。55.进一步地，还包括数据处理系统2，所述数据处理系统2与所述高速摄像机3数据连接，数据处理系统2用于控制高速摄像机3的开启或关闭，并进行数据采集。56.进一步地，所述柱状鼓泡光生物反应器6内的溶液包括不同浓度的藻液和co2吸收剂溶液。57.进一步地，所述气体流量计11包括玻璃转子流量计，玻璃转子流量计能够改变co2的出气流量，以观察不同流量下反应器中气泡运动行为和co2吸收率情况。58.具体地，所述气体分布器7可更换不同孔径的，观察不同孔径的气体分布器7下的反应器中气泡运动行为和co2吸收率情况。59.进一步地，所述柱状鼓泡光生物反应器6内的溶液高度为20-25cm。60.利用所述固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的装置，可实现对反应器中气泡动力学行为及co2吸收率的测试，即利用高速摄影机3捕捉气泡在不同曝气条件下的气泡运动过程，通过ph计10、溶解氧仪9和co2分析仪4反应co2溶解速率和吸收率，使用分析处理软件(image j软件)，可以测量得到气泡在溶液中的运动特征。61.实施例262.本实施例提供了一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的方法，所述方法应用了实施例1提供的一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的装置，包括以下步骤：63.步骤一：配置不同浓度的光合微生物或co2吸收剂溶液；64.步骤二：将配置好的溶液倒入柱状鼓泡光生物反应器中，开启电源，打开数据处理系统软件motion studio，与高速摄像机进行连接；65.步骤三：检查整个气路，打开减压阀，调整气体流量计至确定流量，气体流量计连接到气体分布器上，随后将溶液缓慢的倒入柱状鼓泡光生物反应器中，盖上盖子，插入ph计探头和溶解氧探头至柱状鼓泡光生物反应器中间位置，将出气孔与co2分析仪相连，通气前在柱状鼓泡光生物反应器旁平行放置一个标尺，为后续图像处理提供实际尺寸参考；66.步骤四：向柱状鼓泡光生物反应器内的溶液中通气20min，通气稳定时拍摄气泡运动行为；67.步骤五：通过ph计、溶解氧仪和co2分析仪实时监测ph、溶解氧和出气孔co2浓度的变化，并计算co2吸收率和co2体积传质系数；68.步骤六：实验结束，首先关闭减压阀，将溶液从柱状鼓泡光生物反应器中倒出，然后关闭led光源，关闭高速摄像机，最后关闭电源。69.进一步地，所述分析处理软件可为image j软件。70.具体地，可首先利用image j软件将拍摄图像中的标尺画出一段直线，与实际标尺长度比较进而设置换算关系，确定气泡上升过程中的一段距离代表的真实距离；然后，将柱状鼓泡光生物反应器以垂直方向划分5个区域；从柱状鼓泡光生物反应器底部到顶部的0-4cm为一个区域、4-8cm为一个区域、8-12cm为一个区域、12-16cm为一个区域、16-20cm为一个区域；然后，对图像进行预处理，在不改变原图像素的情况下，将原始图像转化为灰度图像；然后，对图像进行二值化处理，剔除图像背景，凸显气泡轮廓；然后，对气泡图像进行孔洞填充以及粘连气泡分割，然后，对气泡面积、数量等参数进行检测；然后，根据气泡在每个区域内的运动距离除以所用时间得到气泡的上升速度，取5个区域计算得到的平均值；71.具体地，co2体积传质系数由溶解氧的变化得到，c*为该温度和压力下的液相中饱和溶解氧浓度，c为液相溶解氧浓度，kla为体积传质系数；由co2体积传质系数与o2体积传质系数关系计算得到co2的体积传质系数；72.具体地，co2吸收率由进出气口的co2浓度计算得到，计算公式为cin为进气口co2浓度，cout为出气孔处的co2浓度；73.具体地，通过ph计上ph的变化反映co2溶解吸收的速率。74.实施例375.本实施例提供了一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的方法用于模拟螺旋藻液固碳过程中在不同曝气条件下气泡运动参数及co2溶解吸收情况的测定，包括以下步骤：76.步骤一：利用光照培养箱对螺旋藻进行大量的培养；77.步骤二：配置不含nahco3的zarrouk培养基，将螺旋藻接种到该培养基中，接种密度为0.3g/l，藻液体积为300ml，倒入内径为40mm，高30cm的反应器中，开启电源，打开数据处理系统软件motion studio，与高速摄像机进行连接；78.步骤三：检查整个气路，分别选用5％co2、10％co2和15％co2浓度的气瓶打开减压阀，调整质子流量计至确定流量0.1vvm，流量计连接到孔径10μm的气体分布器上，随后将藻液缓慢的倒入柱式光生物反应器中，通气前在反应器旁平行放置一个标尺，为后续图像处理提供参考；79.步骤四：向藻液中通气20min，通气稳定时拍摄气泡运动行为；80.步骤五：通过ph计、溶解氧仪和co2分析仪实时监测藻液ph、溶解氧和co2出口浓度的变化，并计算co2吸收率和co2体积传质系数；81.步骤六：实验结束，首先关闭减压阀，将0.3g/l的藻液从柱式反应器中倒出，然后关闭led光源，关闭高速摄像机，最后关闭电源。82.通过选用不同孔径的气体分布器，如1μm、10μm、50μm、100μm孔径的气体分布器；可以分析不同孔径的气体分布器对螺旋藻生长固碳过程中气泡运动规律和co2溶解传质的影响；83.通过调节气体流量计，如0.05vvm、0.1vvm、0.2vvm、0.3vvm，可以分析不同曝气速率对螺旋藻生长固碳过程中气泡运动规律和co2溶解传质的影响。84.实施例485.本实施例提供了一种固碳过程中co2气泡运动与co2吸收率测量的方法用于模拟柱状鼓泡光生物反应器内不同螺旋藻密度下气泡运动参数的测定及co2吸收率的测定，包括以下步骤：86.步骤一：利用光照培养箱对螺旋藻进行大量的培养；87.步骤二：配置不含nahco3的zarrouk培养基，将螺旋藻接种到该培养基中，接种密度分别为0.3g/l、0.5g/l、1.0g/l，藻液体积均为300ml，倒入内径为40mm，高30cm的反应器中，开启电源，打开数据处理系统软件motion studio，与高速摄像机进行连接；88.步骤三：检查整个气路，分别选用5％co2浓度的气瓶打开减压阀，调整质子流量计至确定流量0.1vvm，流量计连接到孔径10μm的气体分布器上，随后将藻液缓慢的倒入柱式光生物反应器中，通气前在反应器旁平行放置一个标尺，为后续图像处理提供参考；89.步骤四：向藻液中通气20min，通气稳定时拍摄气泡运动行为；90.步骤五：通过ph计、溶解氧仪和co2分析仪实时监测藻液ph、溶解氧和出气口co2浓度的变化，并计算co2吸收率和co2体积传质系数；91.步骤六：实验结束，首先关闭减压阀，将藻液从柱式反应器中倒出，然后关闭led光源，关闭高速摄像机，最后关闭电源。92.实施例593.本实施例提供了一种固碳过程中co2气泡运动与co2吸收率测量的方法用于模拟柱式反应器内不同吸收剂下气泡运动参数及co2吸收率的测定，包括以下步骤：94.步骤一：配置不同浓度的单乙醇胺、聚乙二醇、碳酸钾；95.步骤二：将配置好的吸收剂倒入内径为40mm，高30cm的反应器中，开启电源，打开数据处理系统软件motion studio，与高速摄像机进行连接；96.步骤三：检查整个气路，打开减压阀，调整气体流量计至确定流量0.1vvm，气体流量计连接到孔径10μm的气体分布器上，随后将吸收剂溶液缓慢的倒入柱状鼓泡光生物反应器中，通气前在反应器旁平行放置一个标尺，为后续图像处理提供参考；97.步骤四：向吸收剂溶液中通气20min，通气稳定时拍摄气泡运动行为；98.步骤五：通过ph计和co2分析仪实时监测藻液ph和co2出口浓度的变化，并计算co2吸收率；99.步骤六：实验结束，首先关闭减压阀，将吸收剂从柱状鼓泡光生物反应器中倒出，然后关闭led光源，关闭高速摄像机，最后关闭电源。100.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同更换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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