气泡切割器及制备纳米气泡的方法与流程

1.本发明涉及微泡制备技术领域，特别是涉及一种气泡切割器及制备纳米气泡的方法。


背景技术：

2.气泡切割器是一种气泡发生装置，可通过产生微气泡，广泛应用于河川、水道等的水环境净化处理，养殖池、河岸养殖场和海岸养殖场等水体中的含氧量增加，或化学工厂中气液反应槽的液体中以提高反应效率。
3.传统气泡发生装置大多基于气体溶解原理以实现气泡的产生，即将压缩气体通入并溶入液体中，但产生的气泡一般为微米级，气浮、氧化以及溶氧效果一般，很难提高，且该气泡在水中的保留时间较短，在水体中的消减速度快，应用时需使气泡发生器持续工作以保证作业所需的气泡量，运行成本高。


技术实现要素：

4.针对现有技术问题，本发明提供了一种结构简单的气泡切割器，能够高效切割气液混合物中气泡的，获得纳米级别的较小气泡，该气泡在水体中的保留时间长，具有很好的应用效果。
5.本发明的气泡切割器，用于切割气液混合物中的气泡，包括具有进料端和出料端的本体，所述本体的内部设置有多个沿本体周向排布的气泡切割通道，单个气泡切割通道从所述进料端延伸至出料端，包括孔径逐渐减小的涡旋段；所述进料端的端面中心设置有气液混合物的分配槽以及连接所述分配槽和所述气泡切割通道的连通槽。
6.以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。
7.可选的，所述连通槽为阿基米德螺旋槽，其直径为1～3mm。
8.可选的，所述涡旋段的孔径为2～10mm。
9.可选的，所述分配槽的横截面为圆形。
10.可选的，所述本体的内部设置有10～14个沿本体周向等间隔排布的气泡切割通道。
11.可选的，还包括用于封闭进料端的端盖，所述端盖开设有与所述分配槽连通的通孔。
12.可选的，所述端盖上设有伸入所述涡旋段的凸起。
13.可选的，气泡切割通道还包括位于涡旋段后端的、孔径逐渐增大的放大段。
14.本发明还提供了一种制备纳米气泡的方法，将气液混合物通入气泡切割器的进料端，并从出料端输出。
15.可选的，所述气液混合物的输入压力为0.5～0.6mpa。
16.与现有技术相比，本发明提供的气泡切割器的结构简单，对气液混合物中的气泡有很好的切割效果，产生10～400纳米级别的微小气泡，对水体中的污染物具有很好的气浮和氧化作用，亦可用于增加水体中的氧气量，应用场景广泛。
附图说明
17.图1为气泡切割器的剖面图；
18.图2为一视角下气泡切割器的剖面图；
19.图3为另一实施例中的气泡切割器的剖面图；
20.图4为实施例1中带散射光的气泡分布图；
21.图5为各粒径气泡的浓度分布图；
22.图6为各粒径气泡的体积分布图。
23.图中附图标记说明如下：
24.10、本体；11、进料端；12、出料端；13、气泡切割通道；131、涡旋段；132、放大段；14、分配槽；15、连通槽；
25.20、端盖；21、凸起。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
28.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
29.常规的气泡发生器产生的气泡大多为微米级，气浮、氧化以及溶氧效果一般，很难提高，且该气泡在水中的保留时间较短，在水体中的消减速度快，应用时需使气泡发生器持续工作以保证作业所需的气泡量，运行成本高。
30.针对上述问题，本发明一实施例提供了一种气泡切割器，包括具有进料端11和出料端12的本体10，本体10的内部设置有多个沿本体10周向排布的气泡切割通道13，单个气泡切割通道13从进料端11延伸至出料端12，包括孔径逐渐减小的涡旋段131；进料端11的端面中心设置有气泡混合物的分配槽14以及连接分配槽14和气泡切割通道13的连通槽15，参见图1。
31.应用时，将气泡切割器设置在气泡发生器的后盾，用于接收气泡发生器输出的含有较大气泡(≥1μm)的气泡混合物，进料端11的气泡混合物首先进入分配槽14中分流，经连通槽15流入涡旋段131；涡旋段131中，气液混合物不断回旋前进，由于液体与气体之间的比
重差作用，对液体的作用为离心力，对气体作用为向心力，因此，气泡集中分布在涡旋段131的中心轴线处，液体主要集中在涡旋段131的两侧。随着涡旋段131孔径的逐渐减小，液体的加速度不断增大，且不断挤压中间的气泡，使气泡发生形变以及气泡之间发生剧烈碰撞。当加速的气液混合物到达出料端12时，压力瞬间释放，位于两侧的高速液体冲击并剪切位于中间的气泡，产生大量微小的气泡，且气泡的直径为纳米级(小于1μm)。
32.与微米级的气泡不同，一方面，纳米级的气泡在水中有很好的溶解能力，能够长时间停留在水体中，因此增加了气泡与污染物的接触时间，达到很好的浮选效果，可有效去除水体中污染物，例如重金属和有机污染等。另一方面，纳米级的气泡在破裂时会产生瞬间的高温高压冲击波/超声波，可将氧气分解成活性较强的羟基自由基，用于氧化和降解水体中多种污染物。
33.由上述过程可知，纳米气泡的制备主要涉及气液混合物的输入、分流、回旋剪切、释放输出四个步骤。
34.关于气液混合物的输入，气泡切割器还包括用于封闭进料端11的端盖20，其开设有与分配槽14连通的通孔，以便于输送管道的安装。
35.输入的气液混合物需进入气泡切割通道13从能被剪切，单个气泡切割器的处理能力与气泡切割通道13的数量有关，一实施例中，本体10的内部设置有10～14个沿本体10周向等间隔排布的气泡切割通道13，能够快速切割输入的气液混合物，形成大量、均一的纳米气泡。本实施例仅作为举例，根据实际作业处理水量，可作适应性的调整，例如调整气泡切割器的整体大小以及增加气泡切割通道13的数量。
36.分配槽14是实现各气泡切割通道13均匀分流的关键部位，一实施例中，分配槽14的横截面为圆形，参见图2。一定压力的气液混合物进入分配槽14后，可沿其内周壁不断旋转，并通过连通槽15分流至各气泡切割通道13中。
37.一实施例中，连通槽15为阿基米德螺旋槽，直径在1～3mm，相比于分配槽14，连通槽15的直径大幅度缩小，使得进入涡旋段131的气液混合物的初始流速增大。
38.进一步的，端盖20上设有伸入涡旋段131的凸起21，凸起21一般为圆柱状；进入涡旋段131的起始端的气液混合物，由于受到凸起21圆柱面的阻力，不断回旋形成涡旋，从而产生高达100g以上的加速度。
39.涡旋段131的孔径自起始端开始缩小，通常孔径越小，切割气泡的效率以及气泡细化程度越高，但受限于气泡切割通道13的加工难度，目前涡旋段131的孔径为2～10mm。
40.关于切割后气液混合物的释放问题，邻近涡旋段131的末端时，由于压力瞬间释放，液体和气泡相互发生剧烈的混合作用，从而达到切割气泡的目的，但为了防止形成的纳米级气泡过度空化而溃灭，另一实施例中，气泡切割通道13还包括位于涡旋段131后、孔径逐渐增大的放大段132(图3)，有利于产生稳定、大小均一的纳米级气泡。
41.本发明还提供了一种制备纳米气泡的方法，将气液混合物应用于制备纳米气泡，具体步骤为：将气液混合物通入气泡切割器的进料端11，经气泡切割通道13切割后，从出料输出水体中。为了保证制备效率，气液混合物的输入压力为0.5～0.6mpa。
42.通过肉眼观察，未发现水体中有气泡以及气泡白水，采用纳米颗粒跟踪分析仪对水体进行具体分析，基于纳米颗粒跟踪分析技术，即采用激光光源照射纳米颗粒分散液，记录带有散射光的颗粒的布朗运动，并通过stokes
‑
einstein方程计算得出颗粒粒径。检测结
果表明，通过本发明的气泡切割器产生的气泡粒径在10～400nm，由于气泡表面往往会粘附一些污染物，因此，气泡实际的尺寸应比仪器检测出的结果更小。具体实施例如下：
43.实施例1
44.取气泡切割器处理后的水样(ph7.0)，将初始水样和稀释2倍后的水样注射入纳米颗粒跟踪分析仪(zeta view_paricle metrix)的样品室，待溶液稳定后，开始检测水样中气泡的运动情况，每个水样检测60s，重复11次，各水样之间用水清洗至无颗粒通过(相机最大级别)。检测条件为：26℃，激光波长为488nm，进样体积为1ml。
45.图4为带散射光的气泡分布图，视野中能够最大限度地观察到低强度的气泡，强度越低，说明气泡的粒径越小，经测量，最小气泡的粒径为10nm。
46.经检测，初始水样的浓度为1.3
×
108粒子/ml，稀释2倍后水样的浓度为6.4
×
107粒子/ml。以稀释的水样为对象，根据出峰情况对单位体积的气泡数量进行统计并分析，如图5所示，粒径为93.9nm的气泡的浓度为5.1
×
105粒子/ml，粒径为138.3nm的气泡的浓度为1.8
×
106粒子/ml，粒径为178.7nm的气泡的浓度为2.3
×
106粒子/ml，占总粒子数量的百分比分别为3.8％、20.1％和76.1％，由此可知，水样中气泡的粒径分布范围主要在90～200nm之间。
47.如图6所示，对各直径粒子的体积进行统计并分析，以x10、x50、x90对气泡粒径分布情况进行表征，x10表示粒径小于116.9nm的气泡体积含量占全部气泡体积总量的10％，x50表示粒径小于194.3nm的气泡体积含量占全部气泡体积总量的50％，x90表示粒径小于356.1nm的气泡体积含量占全部气泡体积总量的90％，表明气泡的粒径在10～400nm。
48.综合粒子数量和体积的统计结果，表明水样中大多数的气泡粒径在90～200nm。
49.本发明提供的气泡切割器，结构简单，能够高效切割气液混合物中的气泡，产生的10～400nm微小气泡在水中的保留时间长，不仅能够增加水体的含氧量，而且对水体中的污染物具有很好气浮和氧化作用，可满足不同的应用场景。
50.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。
51.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。