浸没式纳米气泡产生装置及方法与流程

浸没式纳米气泡产生装置及方法
优先权声明
1.本技术根据35usc
§
119(e)要求于2019年3月14日提交的美国专利申请序列号第62/818,573号的优先权，该专利申请的全部内容以参见的方式纳入本文。
技术领域
2.本公开涉及一种用于在一定容积的液体中产生纳米气泡的浸没式曝气装置及方法。


背景技术：

3.各种系统，比如泵或鼓风系统，已被用于向一定容积的液体介质供应气体以在液体介质中获得所需要的含气饱和度水平。含气饱和度是溶解在液体介质中的气体浓度与在稳定平衡下可溶解在液体介质中的最大气体浓度的比率。曝气系统可以使用一个或多个泵来使液体(例如，水)再循环以将气体溶解到液体中。
4.作为示例，水源中的溶解氧量可以表示其水质。各种生物都利用存在于水源中的氧气。在一些情形中，需要将液体中的氧气饱和度维持在一定水平。在一些情形中，需要增加水中溶解氧的量。
5.现有系统的一个缺点是，在某些情况下许多系统是不可行或不适用的。例如，曝气系统对于大量的水体(或其他液体介质)可能效率不高。此外，由于效率低下或缺乏设备可及性，泵送以使大量的水体再循环可能是不可行的。因此，在这种条件下需要一种替代方法来获得提高的氧气饱和度水平。


技术实现要素：

6.如本文所使用的，术语“纳米气泡”指直径小于一微米(μm)的气泡。微气泡，比纳米气泡大，是直径大于等于1微米且小于50微米的气泡。大气泡是直径大于或等于50微米的气泡。
7.本文描述的是一种用于在一定容积的非曝气液体(例如水)中产生纳米气泡的设备。该设备包括马达、可旋转的可渗透件和可旋转的管支承件。该马达包括可旋转轴。该可旋转的可渗透件包括中空体，该中空体具有沿纵向轴线延伸的壁。该壁包括多个孔隙，引入到可旋转的可渗透件中的气体可以通过这些孔隙在中空体内流动。每个孔隙的位置相对于纵向轴线的距离大致相同。可旋转的可渗透件与气体入口联接，该气体入口构造成将气体从气体源引入到可旋转的可渗透件的内侧。可旋转的可渗透件与马达的可旋转轴联接，且其是可轴向旋转的可渗透件，因为它适于与可旋转轴一起绕纵向轴线轴向旋转。
8.该设备还包括具有细长主体的管支承件，该细长主体具有壁并限定了内腔。该壁限定了多个穿孔。该管支承件的内腔构造成容纳可旋转的可渗透件。管支承件与马达的可旋转轴联接并与之一起旋转。当旋转时，管支承件适于将液体引入管支承件的内腔并使液体远离可旋转的可渗透件主体的外表面。
9.当旋转时，可旋转的可渗透件和管支承件模拟液体中高于湍流速度阈值(例如，2米/秒或更高)的湍流流动，使得液体剪切来自可旋转的可渗透件外表面的气体以形成纳米气泡。在高于湍流阈值水平处的周围液体的这种“模拟”湍流流动可以通过剪切来自可旋转的可渗透件表面的气体以形成纳米气泡并防止它们聚结，来促进纳米气泡的形成。
10.这个方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。
11.可旋转的可渗透件可以具有由外径限定的外周缘，该外径的尺寸设为模拟液体中高于湍流阈值以上的湍流流动。
12.可旋转的可渗透件的孔隙可以具有从200纳米至50微米范围内的直径、或者具有小于或等于50微米的直径。
13.可旋转的可渗透件可以与可旋转的管支承件联接。
14.可旋转管支承件的穿孔可以是圆形的、半圆形的、矩形的、立方体的、长方形的、三角形的、或带槽的。
15.该设备可以可选地包括底座和保护壳体(例如，外壳或封壳)。壳体由在第一端和与底座联接的第二端之间延伸的侧壁限定。侧壁是可渗透液体(例如水)的。该侧壁限定了多个穿孔。在一些实施方式中，侧壁可包括屏状或网状构件。可旋转的可渗透件和管支承件设置在保护壳体内。
16.保护壳体不可旋转地固定在底座上。
17.该设备可包括设置在保护壳体内的叶轮。叶轮适于诱导液体流入和流出可旋转的管支承件并远离可旋转的可渗透件的表面。
18.纳米气泡可具有小于500纳米、小于200纳米、从约10纳米到约500纳米范围内的、或从约75纳米到约200纳米范围内的平均直径。
19.在一些实施方式中，用于在一定容积的液体中产生纳米气泡的设备包括具有可旋转轴和可旋转的可渗透件的马达。可旋转的可渗透件包括具有壁和多个孔隙的主体，引入到可旋转的可渗透件中的气体可通过这些孔隙流动。可旋转的可渗透件可联接到气体入口，该气体入口构造成将气体从气体源引入到可旋转的可渗透件中，可旋转的可渗透件与马达的可旋转轴联接并适于与该可旋转轴一起旋转。
20.可旋转的可渗透件还包括至少一个径向延伸件。径向延伸件可包括至少一个翼板、叶片、螺旋桨或其组合。当与至少一个径向延伸件一起旋转时，可旋转的可渗透件适于将液体远离可旋转的可渗透件主体的外表面并模拟液体中高于湍流阈值的湍流流动，这允许液体剪切来自可旋转的可渗透件外表面的气体，从而在液体中形成纳米气泡。
21.还描述了使用上述设备在一定容积的液体中产生纳米气泡的方法。该设备的至少一部分浸没在液体中。在气体压力下将气体从气体源通过气体入口引入到可旋转的可渗透件中，该气体压力迫使气体通过可旋转的可渗透件的孔隙。旋转可旋转的可渗透件和管支承件以模拟液体中高于湍流速度阈值的湍流流动，使得液体剪切来自可旋转的可渗透件外表面的气体以形成纳米气泡。
22.流入可渗透件的气体的压力可以在约1个大气压(atm)至约10个大气压的范围内。
23.上述设备及方法可用于多种应用，包括水处理。
24.上述设备及方法具有许多优点。例如，与产生较大尺寸的气泡相比，产生纳米气泡可以允许气体在周围液体中更有效的扩散和/或溶解。纳米气泡的这种更高的传输效率可
特别在需要对大量液体进行曝气的应用中使用，在这些应用中，使用传统或现有的曝气技术(比如泵送)来提供大量液体的再循环可能是不可行或不实用的。这些大量的液体的一些非限制性示例包括湖泊、池塘、运河和海洋。
25.可旋转的可渗透件的旋转可通过浸没、部分浸没或高于需要曝气的液体表面的驱动机构来实施。可旋转的可渗透件和管支承件可同时一起旋转。流入可旋转的可渗透件的气体可以是低压气体(例如，压力等于或小于10个大气压的气体)，例如来自鼓风机或空气泵。在一些实施方式中，该装置(包括可旋转的可渗透件和驱动机构)可以完全地浸没在需要曝气的液体中。在一些实施方式中，该装置可用于在液体中产生纳米气泡，而无需进一步泵送(即诱导流入)需要曝气的液体。该装置可以是紧凑的尺寸(例如，直径小到8英寸)，使得该装置可以放置在受限空间内，比如检修口。该装置可与任何旋转设备集成，该旋转设备可向可旋转的可渗透件提供足够的旋转速度以产生纳米气泡。
26.本文提供的设备有利地模拟了在任何流动条件下(例如，无流动、层流或湍流条件)在液体中产生纳米气泡所需的流动条件。因此，生产纳米气泡不需要暴露于实际湍流或产生实际湍流。可旋转的可渗透件的旋转模拟了液体中高于湍流速度阈值的湍流流动，使得液体剪切来自可旋转的可渗透件外表面的气体以形成纳米气泡。因此，该设备具有独立于液体流动条件而产生纳米气泡的优点。
27.在附图和说明书中阐述了本公开的主题的一种或多种实现方式的细节。根据说明书、附图和技术方案，本主题的其它特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
28.图1a是示例性曝气装置的立体分解图。
29.图1b是图1a中的曝气装置的组装形式的立体图。
30.图1c是图1a中的曝气装置的组装形式的俯视图。
31.图1d是图1a中的曝气装置的组装形式的侧视图。
32.图1e是图1d中所示的侧视图的剖视图。
33.图1f是图1a中的曝气装置移除壳体后的侧视图。
34.图1g是图1f中所示的侧视图的剖视图。
35.图1h是图1a中的曝气装置的分解侧视图。
36.图1j是图1h中所示的分解侧视图的剖视图。
37.图1k是图1a中的曝气装置的俯视剖视图。
38.图2a是图1a中的曝气装置的非旋转部分的俯视立体图。
39.图2b是图2a中所示的非旋转部分的仰视立体图。
40.图2c是图2a中所示的非旋转部分的侧视图。
41.图2d是图2c中所示的非旋转部分的侧视图的剖视图。
42.图3a是图1a中的曝气装置的旋转部分的俯视立体图。
43.图3b是图3a中所示的旋转部分的仰视立体图。
44.图3c是图3a中所示的旋转部分的剖视图。
45.图3d是图4c中所示的旋转部分的侧视图的剖视图。
46.图3e是可以包括在图1a中的曝气装置中的管支撑件的示例的立体图。
47.图3f是可以包括在图1a中的曝气装置中的管支撑件的示例的立体图。
48.图4是可以包括在图1a中的曝气装置中的可旋转的可渗透件的示例的示意图。
49.图5a是可旋转的可渗透件的示例的立体图。
50.图5b是可旋转的可渗透件的示例的立体图。
51.图5c是可旋转的可渗透件的示例的立体图。
52.图6是液体曝气的示例方法的流程图。
53.图7是液体曝气的示例方法的流程图。
具体实施方式
54.本公开描述了一种用于在一定容积的液体载体(例如，水体)中产生纳米气泡的浸没式曝气装置。气体，比如氧气、氮气或空气，可以流过可旋转的可渗透件的孔隙，在其中，液体在湍流流动条件下剪切气体以产生可以给液体曝气的纳米气泡，该湍流流动条件高于通过可旋转的可渗透件的旋转而创建的液体的湍流阈值。纳米气泡具有小于一微米的直径。在一些实施方式中，纳米气泡具有小于或等于200纳米的直径。
55.曝气装置及方法可以在多种设定中实施。一个示例包括水箱，该水箱缺少与附加的曝气系统联接的配件。所描述的曝气装置及方法也可以在安装于废水处理厂或其他工业设施的反应器和/或储罐中实施；在检修口升降站或其他泵站中，曝气装置可以下降到湿井中以将气体转化为液体；或者所描述的曝气装置及方法可以在液体深度低(例如，液体深度低至6英寸)的暴雨排水沟、排水渠或灌溉渠中实施。
56.所描述的曝气装置及方法还可以在水体中实施，例如，在水体例如几百英尺的水下深度的底部，可以为了藻类控制和/或增加氧气水平的目的在湖泊或其他水生环境中实施。
57.曝气装置及方法的其他应用包括混凝土生产，例如，用以改变混凝土的一种或多种特性。所描述的曝气装置及方法还可以在游泳池中实施以减少氯或其他氧化剂的使用，或在运河处理中实施，例如，由房主在私人码头实施以将氧气的自然水平恢复到死水。
58.所描述的曝气装置及方法可以在养耕共生(aquaponics)和/或水族馆储罐中、或在池塘中实施，例如装饰性池塘，其中可能不需要有辅助设备(例如曝气装置)位于池塘的外侧。所描述的曝气装置及方法可以在活饵仓中实施，将鱼保持在令人满意的氧气水平中，从而延长它们的寿命，或在海洋水产养殖中实施，例如，用于鱼和/或甲壳类动物。其他应用包括用于蓄水的人造池塘、水库和/或分配系统，比如用于储存和输送的油田采出水、再生水、处理过的废水和/或用于曝气、氧化和油分离的饮用水。
59.图1a
‑
1k示出了示例性曝气装置100。装置100包括：底座101；驱动机构150，该驱动机构150与底座101联接；保护壳体102，该保护壳体102与底座101联接；可旋转的可渗透件103，该可旋转的可渗透件103设置在保护壳体102内；以及气体入口104，该气体入口104与可旋转的可渗透件103间接联接(例如，气体入口104可通过支架107和/或旋转联合件105与可旋转的可渗件间接联接)。驱动机构150可提供旋转。驱动机构150包括可旋转构件150a。在一些实施方式中，驱动机构150是马达，可旋转构件150a是可旋转轴。在一些实施方式中，驱动机构150是变速箱，可旋转构件150a是齿轮轴。
60.保护壳体102由在第一端102b和第二端102c之间延伸的侧壁102a限定。第一端
102b与底座101联接。保护壳体102限定了多个穿孔102d，这些穿孔102d构造成使液体通过保护壳体102的侧壁102a。
61.可旋转的可渗透件103具有限定纵向轴线“x1”(参见图1a)的主体并且可绕纵向轴线x1轴向旋转。可旋转的可渗透件103与驱动机构150(例如，马达的可旋转轴或变速箱的齿轮轴)的可旋转构件150a联接，使得可旋转的可渗透件103与驱动机构150的可旋转构件150a一起旋转。
62.在一些实施方式中，例如在变速箱驱动系统中，可旋转构件150a可以附接到轴的顶部，并且整个驱动轴可以是中空的。在这样的示例中，气体通过可旋转构件150a被引入到高于液体表面处，并通过驱动轴进入可旋转的可渗透件。气体入口104构造成通过间接联接件或直接联接件向可旋转的可渗透件103提供气体。可旋转的可渗透件103构造成通过其孔隙排出气体。通过保护壳体102的液体可以剪切来自可旋转的可渗透件103表面的气体，从而从气体中产生纳米气泡。
63.通过将底座101附接到驱动机构150，例如，通过一个或多个螺钉和/或闩锁，底座101与驱动机构150(例如，马达)联接。底座101可以将装置100的一个或多个非旋转部分(比如保护壳体102)固定到驱动机构的非旋转部分(例如，马达150的定子)。尽管在图1a中示出的底座通常是圆形的，但底座101也可以具有任何形状。
64.在各种实施例中，保护壳体102是可选的构件。保护壳体102可保护位于保护壳体102内的装置100的构件(比如可旋转的可渗透件103)不与异物接触，比如石头、碎布或可能悬浮在周围液体中的任何其他大块固体，以及可能损坏装置100的内部构件的任何其他材料。在一些实施方式中，保护壳体102通过焊接与底座101联接，因此底座101和保护壳体102形成了整件式主体。如图1k所示，穿孔102d使液体流过保护壳体102，使得液体能够流入和流出装置100的内部构件(比如可旋转的可渗透件103)。尽管在图1a中示出的穿孔通常是圆形的，但穿孔102d也可以具有任何形状。穿孔102d的尺寸可以是均匀的或不同的。穿孔102d可以均匀地或随机地分布在保护壳体102上。保护外壳具有允许液体自由流动到装置的内部构件(例如，可旋转的可渗透件103)的优点，同时防止碎屑(例如，纤维植物)与内部构件缠绕。
65.可旋转的可渗透件103可沿其壁限定多个孔隙。在各种实施方式中，孔隙沿壁定位，使得每个孔隙的中心(沿至少一个横向平面)与纵向轴线的距离大致相等。气体(比如空气、氧气、氮气或臭氧)可供应至可旋转的可渗透件103。当可渗透件103旋转时，其模拟在周围液体(例如水)中高于湍流速度阈值(例如，2米/秒或更高)的湍流流动。然后，该液体剪切离开孔隙的气体，以形成分散在周围液体中的纳米气泡。可用于构造可旋转的可渗透件103的材料的一些非限制性示例包括金属、陶瓷和塑料。尽管在图1a中示出的可旋转的可渗透件通常是圆柱形的，但可旋转的可渗透件103可以具有另一形状，比如具有长方形横截面的细长构件。稍后将更详细地描述可旋转的可渗透件103。
66.气体入口104构造成与气体源联接，比如鼓风机或空气泵或任何其他压缩气体源，使得气体可以被引入可旋转的可渗透件103。在一些实施方式中，气体入口104包括管配件104a。在一些实施方案中，气体入口104包括可与气体源联接的气体管配件104b。
67.装置100包括旋转联合件105，该转联合件105与可旋转的可渗透件103和/或装置的一些或所有其他构件联接。与可旋转的可渗透件103联接的旋转联合件105的部分可以与
可旋转的可渗透件103一起旋转，而旋转联合件105的其余部分不与可旋转的可渗透件103一起旋转。例如，旋转联合件105的旋转部分可以驻留在旋转联合件105的非旋转壳体内。气体入口104可与旋转联合件105的非旋转部分联接。旋转联合件105和气体源可与气体入口104的相对端联接。例如，旋转联合件105可与管配件104a的第一端联接，并且气体管配件104b可与管配件104a的与第一端相对的第二端联接。气体可直接地或间接地(例如，通过轴和/或旋转联合件104)从气体源流过气体入口104并流入可旋转的可渗透件103。旋转联合件105可包括径向轴承，该径向轴承防止了旋转联合件105的旋转部分相对于旋转联合件105的非旋转部分的径向偏差。
68.装置100还包括与可旋转的可渗透件103联接的管支承件106。管支承件106可以沿可旋转的可渗透件103的旋转轴与可旋转的可渗透件103的相对端联接。在某些实施方式中，可旋转的可渗透件103设置在管支承件106内。可旋转的可渗透件103和管支承件106可以是同心对齐的管状件。管支承件106可以与可旋转的可渗透件103一起旋转。在一些实施方式中，管支承件106与可渗透件103附接(例如，通过焊接)。在一些实施方式中，管支承件106和可旋转的可渗透件103形成了整件式主体。在各种实施方式中，管支承件106减少或消除了可旋转的可渗透件103上的扭转力矩。
69.在图3a
‑
3d中，管支承件106具有圆筒形的主体，该主体由第一壁(例如顶壁)、第二壁(例如底壁)以及在第一壁和第二壁之间延伸的管状侧壁限定。管支承件106的外径大于可旋转的可渗透件103的外径。在一些实施方式中，管支承件106可以限定多个穿孔。穿孔可以允许液体流入和流出可旋转的可渗透件103。穿孔可以设置在管支承件106的第一壁的、第二壁的、侧壁的或其组合的表面上。穿孔可以是圆形的、半圆形的、矩形的、立方体的、长方形的、三角形的、带槽的、翅片等。穿孔的尺寸可以是均匀的或变化的(例如，穿孔的尺寸可以沿着管支承件的轴向长度逐渐增加)。在各种实施方式中，管支承件106的穿孔基本上大于可渗透件103的孔隙。管支承件的穿孔可具有与可渗透件103的孔隙相同或不同的形状。穿孔可以均匀地或随机地分布在管支承件上。管支承件106的其他示例如图3e和3f所示。
70.一旦液体被通过可旋转的可渗透件103旋转而产生的纳米气泡曝气，则需要将包含纳米气泡的液体从可旋转的可渗透件103输送出去，使得新的液体(不包含从可旋转的可渗透件释放的纳米气泡)可以流到可旋转的可渗透件的表面(例如，外表面)并被曝气。诱导周围液体流入和流出可旋转的可渗透件103可以允许纳米气泡的连续产生。在管支承件106和可旋转的可渗透件103一起旋转的运转期间，周围液体可通过管支承件106端面上的穿孔流入管支承件106的内部容积。可旋转的可渗透件103可以按等同于横断面流率的旋转表面速度旋转(例如，通过马达150)，该横断面流率等于或大于在可旋转的可渗透件103表面处的液体的湍流速度。在周围液体中模拟的高于湍流阈值的一定水平的湍流流动可以通过剪切来自可旋转的可渗透件103表面的气体以形成纳米气泡并防止它们聚结，由此促进纳米气泡的形成。如果等效的横断面流率的雷诺(reynolds)数大于3500，则可以认为旋转表面速度是模拟的湍流流动。模拟的湍流流动执行了剪切来自可旋转的可渗透件103表面的气泡的功能。
71.在运转期间，管支承件106的旋转可导致液体(具有由可旋转的可渗透件103产生的纳米气泡)径向向外流过管支承件106侧面上的穿孔。管支承件106的旋转提供了从可旋
转的可渗透件103的表面附近移除新形成的纳米气泡以防止纳米气泡聚结的功能。实际的流动是通过管支承件106的作用以及穿孔的布置而产生的，该穿孔通过其各种表面限定。当旋转管支承件106时，含有纳米气泡的液体从可旋转的可渗透件径向流出，并由从管支承件106的端面上的穿孔流入的新液体所取代，该含有纳米气泡的液体包含在可旋转的可渗透件和管支承件之间的空腔内。因此，管支承件106的旋转促进了周围液体在可旋转的可渗透件103的表面之间的循环，并因此促进了纳米气泡的连续产生。
72.装置100可包括支架107。支架107可与壳体102(例如，壳体102的第二端102c)联接。在一些实施方式中，将支架107焊接到壳体102上。支架107可以限定内孔，旋转联合件105可驻留在该内孔中。支架107可防止旋转联合件105的非旋转部分(例如，旋转联合件105的壳体)旋转，同时旋转联合件105的旋转部分与可旋转的可渗透件103一起旋转。支架107可包括槽，气体入口104可以驻留在该槽中。在一些实施方式中，支架107的槽可防止气体入口104的旋转。例如，支架107的槽可防止气体入口104(其与旋转联合件105联接)与旋转联合件105一起旋转。
73.装置100可包括可选的板108。板108可与保护壳体102的一端(例如，保护壳体102的第二端102c)联接至将其覆盖。在一些实施方式中，板108和底座101与保护壳体102的相对的两端联接。
74.板108可用作装置100的支承件。例如，板108可以提供平坦表面，该平坦表面允许装置100稳定地停留在水体的底板或底床上。装置100的各种构件可与板108联接以将构件固定就位。例如，支架107可用螺钉与板108联接。在一些实施方式中，旋转联合件105的非旋转部分与板108联接。尽管在图1a中示出的板通常是圆形的，但板108可具有任何形状。装置100的各种构件可以居中或偏心地位于板108上例如，壳体102和支架107可位于板108的中心。尽管图1a中示出的板108的外径大于壳体102，板108的外径可以与壳体102的外径相同。
75.在一些实施方式中，装置100包括可旋转的可渗透件103的驱动机构。例如，装置100可包括马达150，马达150包括可旋转轴150a。例如，装置100可包括变速箱(未示出)。驱动机构可构造成在预设的转速范围内旋转。驱动机构可构造成在几个不同的预设的转速范围(例如，驱动机构的转速可以在一个范围内无级改变)内旋转，例如，驱动机构可包括变速驱动器。驱动机构可浸没、部分浸没在需要曝气的液体中或高于需要曝气的液体。在一些实施方式中，马达150可以是电动马达，例如交流电动机、直流电动机、步进电动机或伺服电动机。在一些实施方式中，马达150是由电池供电的马达。在一些实施方式中，装置100包括直角变速箱，使得马达150可在高于一定容积的液体(例如，水体)处安装。
76.在一些实施方式中，装置100包括与驱动机构联接的一个或多个叶轮150b。一个或多个叶轮150b的旋转可诱导液体流入和流出管支承件106(从而促进液体的循环)，同时纳米气泡通过可旋转的可渗透件103产生。
77.图1b示出了图1a中所示的组装形式的装置100。将气体140(比如氧气、惰性气体(例如氮气)、臭氧或空气)提供到气体入口104。气体140可直接或间接地从气体入口104流向可旋转的可渗透件103(如图1a所示，但在图1b中被穿孔壳体102阻挡而看不到)当气体140在可旋转的可渗透件103的旋转期间流过可旋转的可渗透件103的孔隙时，纳米气泡140a在液体120中生成并分散，液体120流入并流出管支承件106(如图1a所示，但在图1b中被阻挡而看不到)和保护壳体102。
78.在一些实施方案中，本文提供的设备可在介质中运行，该介质包含的组合物包括有液体，比如浆液(例如，固体和液体的混合物)。液体120的一些非限制性示例包括含有水(例如池塘水、废水或采出水)和水泥浆的液体。例如，可以通过一个或多个叶轮(未示出)的旋转来诱导液体120流入和流出管支承件。装置100的各种构件(比如可旋转的可渗透件103)的旋转可由驱动机构提供，例如马达150。
79.图1c至1j示出了装置100的各种视图。图1c示出了组装形式的装置100的俯视图。图1d示出了组装形式的装置100的侧视图。图1e示出了图1d中所示的侧视图的剖视图。图1f示出了移除了壳体102的装置100的侧视图。图1g示出了图1f中所示的侧视图的剖视图。图1h示出了装置100的分解侧视图。图1j示出了图1h中所示的分解侧视图的剖视图。
80.图1k示出了在保护壳体102内旋转的可旋转的可渗透件103和管支承件106的俯视剖视图。当气体140被注入到可旋转的可渗透件103中并从可旋转的可渗透件103离开时，纳米气泡140a通过离开孔隙(103a，未示出)的气体140和周围液体120的剪切力而形成，该周围液体120在可旋转的可渗透件103的外表面处模拟高于湍流阈值的湍流流动。
81.图2a至2d示出了装置100的几个可选的非旋转构件的各种视图，比如底座101、保护壳体102和支架107。图2a示出了组装形式的装置100的那些非旋转构件的俯视立体图。图2b示出了组装形式的装置100的那些非旋转构件的底部立体图。图2c示出了组装形式的装置100的那些非旋转构件的侧视图。图2d示出了图2c中所示的侧视图的剖视图。
82.图3a至3d示出了装置100的几个旋转构件的各种视图，比如可旋转的可渗透件103和管支承件106。图3a示出了装置100的那些旋转构件的俯视立体图。图3b示出了装置100的那些旋转构件的底部立体图。图3c示出了装置100的那些旋转构件的侧视图。图3d示出了图3c中所示的侧视图的剖视图。管支承件106可有利地将液体从可旋转的可渗透件移开，以防止纳米气泡的聚结。
83.图3e示出了管支承件106的另一示例。可旋转的可渗透件103可位于管支承件106内。可旋转的可渗透件103(未示出)可穿过管支承件106的中心内孔。图3e示出了管支承件106的另一示例。管支承件106围绕可旋转的可渗透件103。如图3e所示，管支承件106可包括一个或多个叶片。
84.图4示出了可旋转的可渗透件103的放大图。可旋转的可渗透件103限定了多个孔隙103a，气体140可通过这些孔隙离开以产生纳米气泡140a。孔隙103a的直径可小于或等于50微米。在一些实施方案中，孔隙103a的直径在从200纳米到50微米的范围内。孔隙103a的尺寸可以是均匀的或变化的。孔隙103a可均匀或随机地分布在可旋转的可渗透件103的表面(例如，外表面)上。孔隙103a可具有任何规则的(例如，圆形的)或不规则的形状。
85.可旋转的可渗透件103可与驱动机构(未示出)联接并与之一起旋转，该驱动机构比如是与变速箱联接的马达150。气体140流入可旋转的可渗透件103。当可旋转的可渗透件103旋转时，气体140通过孔隙103a离开，其中周围液体(例如，水)在高于湍流阈值的模拟湍流流动条件下剪切该气体140以产生分散在周围液体中的纳米气泡140a。周围液体120可以是，例如，需要引入一种或多种气体(例如，曝气)的水。在装置100的运转期间，优选地将足够多的可旋转的可渗透件103浸没在液体120中，使得所有孔隙103a都是低于液体120的表面的。
86.在一些实施方案中，可影响所生成的纳米气泡140a的尺寸的非结构因素，比如有
流入可旋转的可渗透件103的气体140的组成、流入可渗透件103的气体140的速率，流入可旋转的可渗透件103的气体140的供应压力、周围液体120的组成、周围液体120的流速(如果有的话)以及周围液体120的压力。
87.如图5a
‑
5c所示，可旋转的可渗透件103能可选地包括一个或多个径向延伸特征110，用于促进液体沿其表面流动。径向延伸特征110构造成将液体从可旋转的可渗透件主体的外表面移开，并模拟液体中高于湍流阈值的湍流流动，该湍流阈值允许液体剪切来自可旋转的可渗透件外表面的气体，从而在液体中形成纳米气泡。例如，在一些实施例中，径向延伸特征110的非限制性示例包括翼板(参见图5a)、叶片(参见图5b)或螺旋桨(参见图5c)。径向延伸特征可固定地与可旋转的可渗透件103的外表面联接(或与之集成)，从而将液体从可旋转的可渗透件移开以防止纳米气泡聚结。在某些这样的实施方式中，可能不需要管支承件106来促进装置内的流动，因此，管支承件106是可选的。
88.在一些实施方式中，径向延伸特征110可与管支承件106或/和可旋转的可渗透件103(例如，类似于轮毂和辐条构造)联接。
89.图6是用于液体曝气的方法600的流程图。例如，可以使用曝气装置100来实施方法600。在步骤602中，液体(例如，周围液体120)横跨流过可旋转的可渗透件(例如，可旋转的可渗透件103)的表面(例如，外表面)。例如，通过将可旋转的可渗透件103浸没在液体120中，液体120横跨流过可渗透件103的表面。穿孔壳体(例如，壳体102)可围绕可旋转的可渗透件103。在一些实施方式中，一旦可旋转的可渗透件103浸没在液体120中，就可通过例如一个或多个叶轮诱导液体120的流动。例如，马达150可以旋转一个或多个叶轮，以诱导液体120流入和流出管支承件106，该管支承件106围绕着可旋转的可渗透件103。
90.在步骤604中，气体(例如，气体140)流入可旋转的可渗透件103。气体140可以流入可旋转的可渗透件103，例如通过与气体入口104连接的鼓风机或空气泵。在一些实施方式中，流入可旋转的可渗透件103的气体140的压力至少为1个大气压(atm)。在一些实施方式中，流入可旋转的可渗透件103的气体140的压力最多为10个大气压。在一些实施方式中，流入可旋转的可渗透件103的气体140的压力在1个大气压到10个大气压的范围内、或在2个大气压到8个大气压的范围内。在一些实施方式中，流入可旋转的可渗透件103的气体140的压力在7个大气压到8个大气压的范围内。
91.在步骤606中，将可旋转的可渗透件103旋转以从气体140中生成纳米气泡(例如，纳米气泡140a)，并将生成的纳米气泡140a排出到围绕可旋转的可渗透件103的表面的液体120中。在步骤606中，可旋转的可渗透件103可通过驱动机构(例如马达150的转轴150a或变速箱)旋转。管支承件106与可旋转的可渗透件103一起旋转。可旋转的可渗透件103(和管支承件106)可在步骤606中在模拟高于周围液体120的湍流阈值的湍流流动的转速下旋转，以形成纳米气泡，该周围液体120在可旋转的可渗透件103的旋转表面处。
92.图7是用于液体曝气的方法700的流程图。例如，可以使用曝气装置100来实施方法700。在步骤702中，将可旋转的可渗透件(例如，可旋转的可渗透件103)的至少一部分浸没在液体(例如，周围液体120)中。如前所述，可旋转的可渗透件103设置在壳体102内，该壳体102由在第一端102b和第二端102c之间延伸的侧壁102a限定。壳体102在其侧壁102a上限定了多个穿孔102d，以促进液体流入和流出壳体。在一些实施方式中，管支承件106可限定多个叶片或翼板结构(参见，例如图3e和3f)，以促进液体流入和流出可旋转的可渗透件103。
可旋转的可渗透件103与马达150的可旋转轴150a联接。在步骤704中，通过气体入口(例如，气体入口104)直接或间接地将气体(例如，气体140)引入可旋转的可渗透件103。在步骤706中，将与可旋转的可渗透件103联接的可旋转轴150a旋转，从而产生来自气体140的纳米气泡(例如，纳米气泡140a)。在各种实施方式中，在步骤706中旋转可旋转轴150a包括在模拟可旋转的可渗透件103表面的周围液体120中等于或高于湍流阈值的流动的转速下(类似于方法600中的步骤606)旋转可旋转的可渗透件103(和管支承件106)。
93.本文所述的任何装置(或设备)及方法包括在液体容积(例如，水体)中产生平均直径小于1微米的纳米气泡。在一些实施例中，纳米气泡的平均直径范围为从约10纳米至约500纳米、从约75纳米至约200纳米、从或约50纳米至约150纳米。组合物中的纳米气泡可能具有直径的单峰分布，其中平均气泡直径小于1微米。在一些实施例中，由本文所述装置(或设备)及方法产生的任何组合物包括纳米气泡，但没有微气泡。
94.本文描述的装置(或设备)及方法包括产生高浓度纳米气泡，该气泡分散在离开设备的液体容积中。在一些实施例中，本文描述的装置(或设备)及方法包括在其出口处产生高浓度的纳米气泡，其浓度为至少1
×
106纳米气泡/毫升、至少1
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107纳米气泡/毫升或至少1
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108纳米气泡/毫升。本文提供的设备及方法可产生组合物，其中液体承载件包含在所需时间内保持稳定的纳米气泡。在一些实施例中，本文提供的组合物包含纳米气泡，在环境压力和环境温度下，该纳米气泡在液体承载件中稳定至少一个月、且优选至少三个月。
95.已经描述了主题的特定实施方式。然而，应当理解，可进行各种修改、替换和改变。尽管在附图或权利要求书中以特定的次序描述运转，但这不应被理解为要求这些操作以所示的特定次序或以依次的顺序被执行或所有所示运转(一些运转可被视为可选的)都要被执行，以获得期望的结果。因此，先前描述的示例的实施方式不限定或限制本公开。