一种在水中产生纳米气泡的方法与流程

1.本发明涉及微观界面纳米科学领域中的物理化学中的纳米气泡，更具体地涉及一种在水中产生纳米气泡的方法。


背景技术：

2.纳米气泡是指尺寸在几百个纳米范围内的小气泡。目前，纳米气泡的存在已引起科学界的极大关注，由于它们的存在可能对多个领域带来影响，越来越多的研究小组开始对其进行科学研究。实验表明，界面或体相中存在的纳米级气泡将使整个体系发生很大变化。大量的afm观察和散射光实验证实纳米气泡确实存在于液体、疏水固体界面上以及液体中。纳米气泡由于具有独特的表面物理化学性质，如比表面积大，生存周期长等，在泡沫浮选、废水处理、生物医药、食品工程以及纳米材料等领域受到广泛关注。
3.然而，在理论上还很难解释纳米气泡的稳定存在。根据经典热力学的解释：气泡的体积越小，内部的压力就越大，而压力大必然导致气泡破裂。例如直径为10nm的气泡，根据laplace方程计算出的它的内部压力为144大气压(1.44
×
107pa)，这么高的内部压力使得气泡瞬间就会消失。另外，根据分子动力学模拟的研究，室温下水中纳米气泡的存在时间仅为几到几百个皮秒，而在实验中往往是观察不到这么短时间内存在的纳米气泡的。但近年有多个研究小组用原子力显微镜直接观察到了固液界面上的纳米气泡，这为纳米气泡的存在提供了直接证据。纳米气泡由于其体积小，在水中的浮力就很小。其浮力造成的运动相比于布朗运动可以忽略不计。所以纳米气泡一旦形成，就能够稳定的存在于水中。由于这种特性，纳米气泡已经成为给水底增氧，治理黑臭水体的一个重要方法。但是现有的制备纳米气泡的方法都限定于于实验室微量制备，操作复杂、成本高、产量低，无法大规模的产业应用。所以，要系统、深入地研究纳米气泡，并且将其大规模产业应用，必须先开发一种低成本大量制备纳米气泡的方法。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中的纳米气泡的制备方法产量低、成本高和/或操作复杂等问题，本发明提供一种在水中产生纳米气泡的方法。
5.根据本发明的在水中产生纳米气泡的方法，其包括：s1，提供装置，该装置包括位于第一水平高度的水源，水源通过连接管通至第二水平高度，该连接管包括相互垂直的水平管和下行管，水平管的拐角处设置进气口，第一水平高度和第二水平高度之间的高度差为下行管的长度；s2，控制水源的出水，仅通过水位落差势能使水通过连接管流动以在连接管内形成负压，外界气体通过进气口吸入连接管内；s3，控制进气口的进气量，使得水在连接管中流动时不从进气口溢出且不断流，外界气体在水流的携带之下伴随着混合、剪切和/或压缩的相互作用在下行管中产生纳米气泡。
6.优选地，第一水平高度和第二水平高度之间的高度差介于0.5
‑
10.5m之间。应该理解，由于水位落差越大，产生的水流流速会越高，进而负压越小，能够吸入的空气也就更多。
同时更大的水位落差，会使得气液下行的时间越长，气液两相能够更多的混合相互作用。这两个因素都有利于气泡的产生。另外，更高的水位落差，能够在下行管道中产生更高的水压，有可能把一些大气泡压缩成纳米气泡。实验结果证明，高度差会对纳米气泡的产生数量产生积极影响。高度越高，产生的纳米气泡数量越多。
7.优选地，在步骤s2中，进气口预先被关闭，在连接管内的水流稳定之后再打开进气口以允许外界气体进入，避免水从进气口溢出。
8.优选地，在步骤s3中，进气口的进气量被控制为在防止水从进气口溢出的同时，防止进气量太多而破坏水在连接管中流动的连续性。
9.优选地，进气口由进气阀门提供，通过控制进气阀门的开度来控制进气口的进气量。在优选的实施例中，进气阀门和水流方向呈一夹角，最大程度防止水从进气口流出。
10.优选地，水源的出口设置出水阀门，通过控制出水阀门来控制水源的出水。
11.优选地，水为自来水、去离子水、超纯水、河水和/或海水。应该理解，自然界中的其他各种水源均可作为介质用在本发明中。
12.优选地，水的温度介于2℃
‑
80℃之间。
13.优选地，外界气体为空气、氧气、氮气、氢气和/或稀有气体。应该理解，其他各种气源均可用在本发明中。
14.优选地，外界气体在进口处的气压介于1atm
‑
6atm之间。
15.优选地，当外界气体为空气和/或氧气时，水中的溶氧量增加。自然水体中，水体缺氧已经成为一个越来越严重的问题。水体缺氧会造成水质恶化，影响整个生态系统以及人类生产生活的用水安全。如何给水体有效增氧，已经成为一个亟待解决的问题。纳米气泡能够稳定的停留在水体底部，有效给水体增氧，已经成为水环境治理的一个重要手段。本发明可以有效的产生大量纳米气泡，并且有效给水体增氧，同时设备简单，成本相对较低，有望运用于未来的水环境治理中。
16.根据本发明的在水中产生纳米气泡的方法，仅仅依靠自然界的水位落差势能，采用水力气体压缩(hydraulic air compressor，hac)技术来产生大量纳米气泡，无需外接能源，实现低成本制备大量清洁的纳米气泡，在产生纳米气泡的同时，本发明还能增加水中的溶解氧含量，有望大规模应用于水环境治理。特别地，水位落差只要达到0.5m左右就会产生数量可观的纳米气泡，并且有效提高水中溶解氧含量。0.5m左右的水位落差在自然界中非常普遍，所以本发明使用前景非常广泛。水位落差越高，产生的纳米气泡数量越多。由于不需要电力等外界能量输入，设备一旦建成，运营成本非常低。设备的安装成本也相对较低，总而言之，根据本发明的在水中产生纳米气泡的方法，可以产生数量较多的纳米级气泡，不仅重复性好，操作简便，而且相较于其他纳米气泡的制备方法，其最大优势在于成本低，能满足大量需要纳米气泡的一些行业的需求，比如水体增氧。而且，通过改变进气口大小、水位落差高度，可以控制纳米气泡产生的数量。
附图说明
17.图1是根据本发明的一个优选实施例的在水中产生纳米气泡的方法的装置示意图；
18.图2是实施例1的hac水、hac水脱气后、无空气进入水中纳米气泡的浓度对照图；
19.图3是实施例1的hac水中和自来水中纳米颗粒的粒径分布对照图；
20.图4是实施例1的hac水中和自来水中溶氧量对照图；
21.图5示出了不同水位高度差之下纳米气泡浓度。
具体实施方式
22.下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
23.1)仪器及设备的准备
24.动态光散射装置采用nanosight ns300系统，配有样品池和盖。样品池和盖板在使用前用去离子水和乙醇清洗。
25.溶氧仪为orion versa star pro,vstar94,thermo scientific，在实验前先将溶解氧探头在25℃空气饱和水中校准。
26.2个水桶，数十米长的透明水管(其内径为6mm)，进气阀门。
27.温度控制在室温，同时注意避免烈日、强风、空气中粉尘等因素对实验结果的影响。
28.2)实验准备
29.在10.5m高台上放置一水桶，里面注满自来水，水桶底部出口处安装一阀门，将阀门与十多米长水管连接。水管水平放置一小段，随后垂直通向地面。在地面放置另一水桶，垂直的水管通向水桶底部。在高处水平水管上开一小孔，安装一阀门，用于引入气体。阀门可以调节大小，用以控制进气量的大小。
30.实验过程中涉及的烧杯、注射器等设备都提前经过去离子水超声清洗，并且在真空箱中烘干。
31.3)纳米气泡的形成
32.本实验的纳米气泡的形成是通过利用自然水位差形成下降水流，水流在流动过程中形成负压，通过进气阀门吸入空气，空气和水流同时在水管中下行，气液两相充分混合剪切，并且下行管道中的水柱对空气有一定的压缩作用，在这个过程中会形成纳米气泡。高度越高，气液接触的时间更长。同时水流流速更快，引入更多的气体，更容易形成湍流，伴随着更多的气液混合和剪切。同时高度越高，水柱产生的压强越大。所以高度更高，更容易形成纳米气泡，纳米气泡的浓度越高。
33.实验结束后，用清洁的滴管吸取水桶2中的溶液，注入样品池，用动态光散射进行观察，保存图像和数据。
34.4)纳米气泡数量和大小的观测
35.使用搭载了纳米追踪分析系统(nta)的动态光散射(dls)系统来观测纳米气泡。具体操作如下：开启主程序nta program。点击capture进入录像采集界面。可视需要尝试先将camera level调至较高处。将样品池置于显微镜载物台上，蓝色激光应为发光状态(若未亮，点击nta软件capture界面中camera level调至较高处，激发激光)；前后，左右调节样品池位置，上下调节焦距，至能观测到蓝色激光束，利用nta软件的观测图像精细调节焦距、位置。随后可以对纳米气泡进行测量和观察。
36.5)纳米气泡的验证
37.为了验证实验中测量出的纳米颗粒就是纳米气泡，我们进行了三组对照实验。
38.第一组对照实验，我们把上述制备纳米气泡得到的水桶2中的水，注入烧杯中，将烧杯放置于真空干燥箱内，启动真空泵在0.1个大气压下进行抽气4小时。脱气之后的溶液再用nta系统进行测量。
39.第二组对照实验是，直接取10.5m高台上水桶1中的的水进行nta测量。测量未经实验制备的水中所含的纳米颗粒的含量。
40.第三组对照实验是将进气阀门完全关闭，使得水流同样从高处水桶中流出，经过10.5m长管道进入底部水桶。和之前制备纳米气泡的实验的唯一差别就是不引入外界空气。最后使用nta系统对底部水桶2中的水进行测量。
41.三组对照实验中测得的纳米颗粒含量都明显低于最初实验中所测得的纳米颗粒的含量，证明了我们所制备出的是纳米气泡。
42.6)溶解氧的测量
43.为了研究我们的方法对溶解氧的影响，我们利用溶氧仪测量了水桶2中的溶解氧含量(orion versa star pro,vstar94,thermo scientific)。每次测量时都会等待几分钟，等示数稳定不再变化时才会读取记录。实验前，溶解氧探头在25℃空气饱和水中校准。首先我测量了水桶1中普通自来水的溶解氧含量，其值在7.0
±
0.4mg/l。而后测量水桶2中实验所得溶液的溶解氧含量。经过测量，我们发现溶解氧含量明显上升，其值为12.3
±
2.7mg/l。
44.实施例1利用10.5m水位落差产生纳米气泡
45.将水桶1放置于h为10.5m高处，用水管3将其与地面的水桶2相连，如图1所示。水管3包括相互垂直的水平管31和下行管32，水平管31的拐角处设置一阀门33以形成进气口34。打开水桶1处的出水阀门，使水流正常流出，经过阀门33后垂直下行。待水流稳定时，打开阀门33。此时在水流负压的作用下，外界气体通过进气口34被吸入水管3中。控制阀门33的进气量的大小，使得水流不会从进气口34溢出，同时保证下行的水流稳定，不会断流。外界气体在水流的携带之下，快速下行。实验中能够在下行管32中观察到大量大气泡和小气泡的产生。
46.用滴管吸取水桶2中的少量液体，并加入液体槽，用动态光散射进行观察，保存好相应的图像。nanosight ns300的具体参数为观测时screen gain8，camera level11，对图像进行处理时screen gain1，detection threshold5，观测时尽量不选择靠近边缘的位置。经过多次测量取平均值，气泡的数量大约在(4.6
±
1.0)
×
107个/ml左右。
47.取适量水桶2中的溶液置于烧杯中，随后用胶带封口并在封口处开若干个小口保持烧杯内部和外界气压相同并且保持溶液表面清洁。然后将烧杯放入一用于抽真空的干燥器内，启动真空泵在0.1个大气压下抽气4小时后取出。用动态光散射系统对烧杯中的溶液进行观察，得到纳米颗粒的数量为(1.3
±
0.2)
×
107个/ml。
48.重复水流从水桶1流到水桶2的过程，但是关闭阀门33。在没有外界气体混合的情况下，水从水桶1流入水桶2。利用nanosight进行观察，测得水桶2中液体的纳米颗粒含量为(1.7
±
0.1)
×
107个/ml左右。
49.取未经实验的水桶1中的普通自来水进行测量，得到纳米颗粒的含量大约在(1.6
±
0.4)
×
107个/ml左右。
50.图2是水中纳米气泡的浓度对照，左柱表示10.5m水位落差下制备产生的hac水中
纳米气泡的浓度，中柱表示放置于真空干燥箱中脱气后纳米颗粒的浓度，右柱表示关闭进气阀门让水从高处流到底部后所测得的纳米颗粒浓度，经过对比发现，三组对照实验的纳米颗粒浓度均在1
×
107个/ml～2
×
107个/ml，均明显低于实验值(4.6
±
1.0)
×
107个/ml。由此可以证明试验中产生的的确是纳米气泡而非纳米量级的污染物。
51.图3是实验获得的hac水中和自来水中纳米颗粒的粒径分布对照，经过对比发现，纳米颗粒的粒径分布主要在50
‑
400nm之间，hac水中各个粒径的分布数量明显高于自来水中。
52.取适量水桶2中的溶液置于烧杯中，利用溶氧仪多次测量其溶解氧的含量。如图4所示，其结果为12.3
±
2.7mg/l。同时另取烧杯，取适量水桶1中的自来水测溶氧量，其结果为7.0
±
0.4mg/l左右。实验证明该实验方法能够有效增加水中溶解氧的含量。
53.实施例2利用7m水位落差产生纳米气泡
54.将水桶1放置于h为7m高处，水位落差设置为7m，重复实施例1中的实验。实验测得，此时水桶2中的水中纳米气泡的含量为(4.2
±
1.0)
×
107个/ml，略低于实施例1中的数据。
55.作为对照，取少量水桶2中的水进行脱气，而后测量，脱气水中所含有的纳米颗粒浓度为(1.8
±
0.2)
×
107个/ml。
56.在自来水、进气阀门关闭时，溶液中的纳米颗粒浓度为1
×
107个/ml～2
×
107个/ml，和实施例1保持一致。
57.利用溶氧仪测得的溶解氧含量为12
‑
13mg/l，与实施例1保持一致。
58.实施例3利用3.5m水位落差产生纳米气泡
59.将水桶1放置于h为3.5m高处，水位落差即为3.5m，重复实施例1中的实验。实验测得，此时水桶2中水中纳米气泡的含量为(3.9
±
1.5)
×
107个/ml，也低于实施例1中的数据。
60.作为对照，取少量水桶2中的水进行脱气，而后测量，脱气水中所含有的纳米颗粒浓度为(1.4
±
0.4)
×
107个/ml。
61.在自来水、进气阀门关闭时，溶液中的纳米颗粒浓度为1
×
107个/ml～2
×
107个/ml，和实施例1保持一致。
62.利用溶氧仪测得的溶解氧含量为12
‑
13mg/l，与实施例1保持一致。
63.实施例4利用2m水位落差产生纳米气泡
64.将水桶1放置于h为2m高处，水位落差即为2m，重复实施例1中的实验。实验测得，此时水桶2中水中纳米气泡的含量为(3.4
±
0.3)
×
107个/ml。
65.实施例5利用1m水位落差产生纳米气泡
66.将水桶1放置于h为1m高处，水位落差即为1m，重复实施例1中的实验。实验测得，此时水桶2中水中纳米气泡的含量为(3.2
±
0.02)
×
107个/ml。
67.实施例6利用0.5m水位落差产生纳米气泡
68.将水桶1放置于h为0.5m高处，水位落差即为0.5m，重复实施例1中的实验。实验测得，此时水桶2中水中纳米气泡的含量为(2.9
±
0.4)
×
107个/ml。
69.图5给出了不同水位高度差之下纳米气泡浓度，由此可知在0.5
‑
10.5m高度差的情况下均可以获得hac水，其纳米气泡的含量为(2.9
±
0.4)
×
107个/ml
‑
(4.6
±
1.0)
×
107个/ml之间。
70.以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上
述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。