Prueba de un generador de burbujas micromecánico con diferentes contenidos de sal

Oxigenación efectiva de salmuera hasta 30 PPT

Dispositivo generador de micro-nanomubles utilizado en el experimento.

El tamaño de las burbujas es un parámetro crítico en los sistemas de aireación de acuicultura de burbujas dispersas. Un estudio para determinar el efecto de agua de diferente salinidad en el desempeño de la tecnología de generación de nanomubles (NBT) mostró que usando la misma energía y flujo de aire, la cantidad de oxígeno transportado por NBT a 30 ppt de salinidad es 8.5 veces mayor que en las zonas urbanas (agua dulce) agua.

Aireación en acuicultura

El oxígeno natural que se esparce del aire por difusión y fotosíntesis en las plantas acuáticas no satisface la demanda combinada de oxígeno de las especies cultivadas intensivamente y otras biotas. Los esfuerzos para aumentar las concentraciones de oxígeno disuelto (OD) en los estanques incluyen el intercambio parcial de agua para reemplazar el agua pobre en oxígeno con agua que contiene oxígeno de la fuente, la adición de fertilizante para estimular la fotosíntesis en las plantas acuáticas, la adición de compuestos como el peróxido de hidrógeno para liberar oxígeno mediante reacciones químicas y adición de gas oxígeno puro al estanque. El intercambio de agua y la aireación son las técnicas más utilizadas y eficaces.

En la acuicultura semi-intensiva e intensiva, se necesitan aireadores para satisfacer la demanda de oxígeno respiratorio de los organismos cultivados. La ventilación adecuada también es esencial para el manejo del amoníaco, lo que promueve la nitrificación. En la acuicultura se utilizan diferentes tipos de aireación. La aireación se lleva a cabo mediante dos métodos: rociar agua en el aire con dispositivos como bombas verticales, boquillas de bombas e impulsores; o lanzar burbujas de aire con bombas de hélice-aspiración y sistemas de aire distribuido. Existe un interés creciente en la aireación de difusores de burbujas finas como sistema de acuicultura, especialmente en unidades de cultivo o cría muy intensivas.

Burbujas de micromomanía

Las microburbujas (MB) y las nanoburbujas (NB) son pequeñas burbujas con diámetros correspondientes de 10–50 µm y <200 nm y se han estudiado para una variedad de aplicaciones. Un micromaníaco (MNB) es una burbuja con un diámetro de entre 0,1 y 10,0 micrómetros. La tecnología de los MNB ha despertado un gran interés en áreas biológicas como la biorremediación, la acuicultura y la producción de cultivos. Los MNB son mejores que las macroburbujas porque tienen un área de superficie más grande, una presión interna más alta, una velocidad del agua más baja, una vida útil prolongada y una alta eficiencia de transferencia de masa. El método de generación de MNB también afecta sus propiedades. Todos estos factores mejoran drásticamente el suministro de oxígeno disuelto.

Configuración de estudio

Normalmente, los parámetros de rendimiento del aireador se informan en condiciones estándar que superan las condiciones específicas del sitio. Las pruebas de rendimiento del aireador son la tasa de transferencia de oxígeno estándar (SOTR) (masa transferida por unidad de tiempo) kg O2 / h; y eficiencia de aire estándar (SAE) (masa transferida por unidad de tiempo por unidad de potencia) kg O2 / kW-hr. El procedimiento de prueba siguió el protocolo recomendado por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles.

Figura 1. Las microburbujas tienden a contraerse gradualmente y luego colapsar debido al prolongado estancamiento y disolución del gas interno en el agua circundante, mientras que la nanomubrícula permanece así durante varios meses y no explota a la vez (Takahashi, 2009).

Las propiedades de transferencia de oxígeno de los aireadores de superficie utilizados en la acuicultura se han probado en agua dulce, pero se sabe poco sobre el efecto de la salinidad en el rendimiento del aireador. Para determinar el efecto del agua de diferente salinidad en el rendimiento de la tecnología de generación de nanomubles (NBT) (Blue Planet Environmental Inc.), realizamos un estudio en el EW Seashell Center, Auburn University, Aaburn, Alabama. Se obtuvieron 5, 10, 20 y 30 partes por mil (ppt) de salinidad disolviendo Crystal Sea® en agua urbana (salinidad = 0,1 ppt).

El procedimiento implicó desoxigenar el agua en el tanque de prueba con sulfito de sodio y cloruro de cobalto. Para desoxigenar el agua, se añadieron 9,85 gramos de sulfito de sodio (Na2SO3) por metro cúbico por millón (ppm) de oxígeno disuelto y 0,2 g de cloruro de cobalto (CoCl2.6H2O) por metro cúbico de agua. El cloruro de cobalto cataliza la reacción del sulfito de sodio con oxígeno. A continuación, el oxígeno se volvió a oxidar con NBT al que se añadió un caudal de aire de 0,7 l / min. Durante el funcionamiento posterior del NBT, se midió la concentración de oxígeno disuelto a intervalos de 10 segundos usando un medidor de oxígeno portátil SMARTROLL® RDO® (In-Situ Inc.) hasta que la concentración de OD alcanzó el 80% de saturación. Para cada salinidad y temperatura adecuadas, se obtuvo la concentración de OD en saturación (Cs).

Para cada medición de OD realizada durante el experimento de aireación, se obtuvo un déficit de OD restando la concentración de OD del recipiente de Cs. Se calculó el coeficiente de transferencia de oxígeno (KLaT). La transferencia de oxígeno se ve afectada por la temperatura del agua. Por tanto, el valor de KLaT se ajustó a 20 ° C. A continuación, se utilizó el valor corregido (KLa20) para calcular el SOTR. La potencia del cable se calculó y dividió por SOTR para obtener un SAE estándar. Los experimentos de transferencia de oxígeno se repitieron tres veces para cada salinidad.

Resultados

SOTR y SAE del mismo dispositivo NBT equipado con el mismo caudal de aire aumenta con el aumento de la salinidad del agua. El NBT suplementado con 0,7 l / min de aire en agua que contiene 30 ppt tuvo un SAE 8,5 veces mayor que en el agua urbana (Figura 2). En otras palabras, usando la misma potencia y flujo de aire, la cantidad de oxígeno transportado por NBT al agua con un contenido de sal de 30 ppt es 8.5 veces mayor que en el agua urbana.

Efecto del tamaño de la burbuja

El tamaño de la burbuja es un parámetro crítico en los sistemas de burbujas distribuidas porque determina el área de interfaz, la tasa de aumento de la burbuja y el factor de transferencia de masa. La transferencia de oxígeno de las burbujas de aire al agua está relacionada con el tamaño de la burbuja. Las burbujas más pequeñas aumentan la eficiencia de la transferencia de oxígeno. Cuando se introduce la misma cantidad de aire en el agua en dos tamaños de burbujas esféricas diferentes, la proporción del área total es inversamente proporcional a la proporción del diámetro. Por ejemplo, al mismo caudal de aire, la reducción de los diámetros de las burbujas esféricas entre 2,5 y 0,5 mm aumentaría cinco veces la interfaz aire-agua. Por lo tanto, las burbujas finas transportan más oxígeno al agua que las burbujas gruesas.

Figura 2. SOTR (Kg O2 / hr) y SAE (Kg O2 / kW.hr) de generadores de micronanomículas en agua con diferente salinidad.

El objetivo de lograr una mayor eficiencia en la aireación o el suministro de oxígeno de los tanques y estanques de aguas municipales, aguas residuales o acuicultura es reducir el flujo y la presión de gas para que se requiera menos energía de bombeo. El área de superficie de las burbujas más pequeñas es mayor que el mismo volumen de gas contenido en las burbujas más grandes. El área total más grande de las burbujas pequeñas significa que el gas se disuelve más rápido en el líquido, lo que resulta en una reducción del flujo de gas requerido.

Una característica importante de las microburbujas que las distingue de las burbujas grandes convencionales es que se encogen cuando su tamaño está por debajo de un valor crítico. Idealmente, las burbujas deben ser de un tamaño tal que contengan poco o nada de aire (u oxígeno) cuando lleguen a la superficie. A una profundidad de agua de 3 m, una burbuja de 5 mm pierde solo alrededor del 15 por ciento del oxígeno disponible, mientras que una burbuja de 2 mm pierde alrededor del 50 por ciento. Si las burbujas son demasiado pequeñas, pierden oxígeno muy rápidamente y luego no tienen ningún efecto valioso.

Si las burbujas son demasiado grandes, suben a la superficie tan rápido que no hay tiempo suficiente para transferir oxígeno (Figura 1). A medida que la flotabilidad disminuye con el tamaño de las burbujas, las microburbujas flotan muy lentamente hacia arriba y tienen un tiempo de retención más prolongado en soluciones acuosas. Las burbujas pequeñas se elevan más lentamente en el líquido que las burbujas más grandes. Esto se debe a un aumento en la relación de fricción gas-líquido. Este aumento en la fricción del fluido significa que las burbujas de gas pueden elevar el fluido hacia adelante a medida que asciende, provocando un mayor aumento en el volumen de gas. Las nanoburbujas de nitrógeno, metano o argón con un radio de 50 nm tienen una vida útil de más de dos semanas. La presencia de algunas nanomubles en el agua se había probado durante varios meses.

Generación de micronubbles durante la prueba.

La transferencia de masa es el movimiento de masa de un lugar a otro. Una disminución en el radio de la burbuja y un aumento en la presión interna de la burbuja aumentan la eficiencia de la transferencia de masa de las burbujas al fluido circundante. El aumento de presión da como resultado la difusión de gases atrapados desde la región de alta presión en la burbuja a un entorno de presión más baja de la solución acuosa circundante, como se describe en la Ley de Henry. Como resultado, las microburbujas se encogen aún más y finalmente colapsan.

Las tasas de aumento y los factores de transferencia de masa de las burbujas pequeñas son muy sensibles al diámetro de la burbuja. Como resultado de estas propiedades, el suministro de oxígeno en forma de microburbujas permite aplicar altos niveles de oxígeno a los procesos que consumen oxígeno (por ejemplo, acuicultura, acuicultura, digestión aeróbica y tratamiento aeróbico de aguas residuales).

Efecto de la salinidad del agua

El rendimiento de diferentes tipos de aireadores responde de manera diferente a los cambios en la salinidad del agua. La eficiencia de aireación de los aireadores de bomba vertical no se ve afectada por la salinidad del agua. Un contenido de sal de 0 a 30 ppt no tiene un efecto obvio sobre la transferencia de oxígeno del aireador de ruedas de dos o dos palas estilo Taiwán. Los sistemas de aireación de aire distribuido, como los aireadores de hélice-aspirador-bomba, son más eficientes en agua salobre que en agua dulce. Por lo tanto, este estudio se realizó para evaluar el efecto del contenido de sal en el tratamiento con oxígeno con nanomubbles.

El efecto de la salinidad en el rendimiento del aireador es un resultado directo del efecto de la salinidad en el tamaño de las burbujas. Las burbujas aisladas de los aireadores de hélice-aspirador-bomba eran mucho más pequeñas a 10 ppt y mayor salinidad que a menor salinidad. Sin embargo, el contenido de sal de 10 aptos no excedió la eficiencia de aireación estándar (SAE) con el aumento de la salazón. Además, el funcionamiento de los aireadores se ve afectado por la geometría del tanque de prueba. El uso de tanques pequeños en pruebas de agua dulce arroja valores SAE más bajos. Sin embargo, la geometría del tanque de prueba no afectaría el efecto de la salinidad en la transferencia de oxígeno, ya que el tamaño de la burbuja no está relacionado con la geometría del tanque sino con la salinidad.

Para los MNB, la salinidad no afecta su tamaño, pero tiene un gran efecto en su desempeño. A diferente salinidad, los MNB están cargados negativamente, lo que les permite adsorber con éxito los microorganismos cargados positivamente. Además, cuando la burbuja colapsa, la concentración de iones alrededor de la interfaz gas-agua aumenta, lo que da como resultado la formación de radicales que pueden estar relacionados con la actividad biológica. Cuanto mayor es la mejora del oxígeno disuelto, menor es el tiempo de estancamiento de las burbujas con una salinidad de 0,7 g / l en comparación con una mayor salinidad.

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