一种微纳米气泡制备装置及方法

1.本发明涉及气泡发生器领域，具体涉及一种微纳米气泡制备装置及方法。


背景技术：

2.依据现有关于微纳米气泡的报道，目前大多数研究学者认为微纳米气泡是在液相和固液界面产生直径小于100μm的微米气泡和直径小于1μm的纳米气泡。微纳米气泡具备以下特性:存在时间长、比表面积大、zeta电势高、传质效率高、易生成自由基等。应用于矿物浮选、表面清洁、功能性材料制备、污水处理、渔业水产行业、气浮选矿、水体修复和净化等领域。根据微纳米气泡产生的不同机制可将现有的微纳米气泡产生方式分为压力变换法、水力空化法、超声空化法、电化学法、溶气释气法等。在对气泡需求量较大的水处理应用中最常用到的是溶气释气法。
3.压力溶气气浮装置是将清水加压至(3～4)
×
105pa，同时加入空气，使空气溶解于水，然后骤然减至常压，溶解于水的空气以微小气泡形式(气泡直径约为20-100μm左右)，从水中析出，将水中的悬浮物颗粒载浮于水面。从而实现固-液分离。压力溶气气浮装置是应用范围较为广泛的一种气浮设备，该设备可以广泛适用于各类废水处理(尤其是含油废水处理)、污泥浓缩及给水处理。但目前采用溶气释气法的微纳米气泡发生装置体积大、耗能高，高压环境下对容器的强度需求较高，整体操作难度大难以满足小批量、快速制备的需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种微纳米气泡制备装置及方法，利用制备器内压强变化的同时，气体在液体介质内溶解度发生变化，使气体重复析出、溶解过程，析出微米气泡，在气体溶解时形成纳米气泡并累积，在常压环境下实现微纳米气泡的制备，同时简化制备设备，降低制备难度从而满足快速制备的需求。
5.本发明的第一目的是提供一种微纳米气泡制备装置，采用以下方案：
6.包括制备器和牵拉组件，制备器包括滑动块和壳体，滑动块滑动配合壳体形成用于容纳液体的反应腔，滑动块相对于壳体滑动以改变反应腔体积，牵拉组件输出端朝向滑动块且安装有电磁铁，反应腔连接能够启闭的阀门，滑动块设有配合电磁铁的磁性板，牵拉组件驱动电磁铁往复运动的轨迹与滑动块沿壳体滑动的轨迹平行，电磁铁对磁性板施加周期性磁吸作用以牵引或释放滑动块。
7.进一步地，还包括支架，制备器配合有支座，支座和牵拉组件相对布置且分别安装于支架，支架上配合定位块，以使滑动块运动方向与壳体轴线一致，防止滑动块运动路径的偏移；所述支座上设有配合制备器壳体的夹持部，支座通过连接件安装于支架上预设滑槽。
8.进一步地，所述电磁铁的作用面朝向滑动块连接的磁性板，电磁铁通过第一开关接入控制器，以控制电磁铁工况。
9.进一步地，所述牵拉组件包括直线往复机构和调节元件，调节元件连接直线往复
机构以调节其运动参数，直线往复机构的输出端为牵拉组件输出端。
10.进一步地，所述调节元件接入控制器，以控制直线往复机构输出端的运动方向。
11.进一步地，所述往复运动机构选用气缸、曲柄滑块机构或丝杠滑块机构。
12.进一步地，所述制备器的滑动块沿竖直方向运动，且配合阀门的一端位于滑动块的上方，阀门用于开启或封闭反应腔。
13.本发明的第二目的是提供一种利用如第一目的所述微纳米气泡制备装置的制备方法，包括：
14.向反应腔内注入溶解有气体的液体介质，封堵口部并布置制备器和牵拉组件；
15.牵拉组件输出端带动电磁铁移动至接触磁性板，电磁铁吸附连接磁性板；
16.牵拉组件反向运动以牵拉制备器滑动块设定距离，使反应腔内压强减小，液体介质内的气体析出并形成微米气泡；
17.电磁铁断电以释放磁性板，滑动块在负压作用下恢复原位置，反应腔内压强增大，微米气泡中部分气体溶于液体介质后形成纳米气泡；
18.重复牵引释放制备器滑动块，使溶解于液体介质中的气体进一步析出并溶解形成纳米气泡并累积，获取反应腔内的微纳米气泡。
19.进一步地，在电磁铁释放磁性板时，改变电磁铁朝向磁性板一侧的磁极使其与磁性板的磁性相斥，加速滑动块恢复原位置的同时增加瞬时压力。
20.进一步地，对牵拉组件配置控制程序以自动制备微纳气泡，通过控制牵拉组件驱动滑动块往复运动的参数，调节所制备微纳米气泡的浓度和/或尺寸规格；调节液体介质和/或气体的类型，改变制备的微纳米气泡种类。参数包括往复运动次数、行程、速度等，由于纳米气泡的稳定性，液体介质内既有的纳米气泡不会继续发生溶解，在重复牵引释放滑动块时，液体介质内所溶解的气体进一步析出形成微米气泡并在释放时溶解形成纳米气泡，从而获取反应腔内的微纳米气泡，并能够通过调整滑动块往复运动的次数来调整液体介质内纳米气泡的浓度。
21.与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
22.(1)针对目前制备微纳米气泡所使用设备复杂、所采用流程繁琐的问题，利用制备器内压强变化时，气体在液体介质内溶解度发生变化，使气体重复析出、溶解过程，析出微米气泡并在溶解时形成纳米气泡，在常压环境下实现微纳米气泡的制备，简化制备设备，降低制备难度从而满足快速制备的需求。
23.(2)利用压力变化法的原理，当制备器滑动块拉出，制备器内溶液压强减小，气体溶解度降低，溶液中气体析出以微米气泡形式存在；当制备器滑动块缩回，制备器内溶液压强增大，气体溶解度增大，微米气泡中部分气体溶于水后形成纳米气泡并累积，从而实现微纳米气泡的常温制备。
24.(3)利用负压作用使牵拉后的滑动块恢复原位置，在惯性作用下，滑动块在恢复至原位置后，仍存在速度，从而使得制备器滑动块连接的活塞冲击反应腔内的液体介质，扰动液体介质的微米气泡，瞬间冲击增加瞬时压力，提高微米气泡溶解至液体介质中得到纳米气泡的概率，提高制备效率和纳米气泡的形成效率。
25.(4)结合电磁铁，利用电磁铁能够快速改变作用面磁极极性，在解除对磁性板吸附以释放滑动块后，可以将电磁铁作用面的极性切换至相异，从而与磁化后的磁性板朝向电
磁铁一侧的极性相同，利用同名磁极相斥作用，增加滑动块恢复原位置时的加速度，进一步提高冲击力，促进微米气泡溶解成为纳米气泡的效果，提高制备效率。
26.(5)在支架上布置支座和定位块，保持制备器壳体和滑动块的配合状态，保证可靠的同心度，防止滑动块沿壳体内壁滑动过程中产生的力偏移；采用支架结构使制备器在制备过程中保持轴线竖直，同样的使滑动块相对于壳体、反应腔沿竖直方向运动，提高其运动过程中的平稳性，从而保证反应腔内的气密性。
27.(6)通过改变注入反应腔内的气体、液体，能够制备不同的微纳米气泡溶液种类，从而满足不同途径的应用。
附图说明
28.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.图1为本发明实施例1或2中微纳米气泡制备装置的结构示意图。
30.图2为本发明实施例1或2中支架配合制备器的结构示意图。
31.图中，1阀门、2制备器、3支座、4电磁铁、5磁性板、6活塞杆、7气缸、8支架、9节流阀、10控制阀、11压缩机、12控制器、13第二开关、14第一开关、15定位块。
具体实施方式
32.实施例1
33.本发明的一个典型实施例中，如图1-图2所示，给出一种微纳米气泡制备装置。
34.如图1所示微纳米气泡制备装置，用于通过制备器2配合牵拉组件，牵拉组件交替牵拉、释放制备器2的滑动块，在制备器2内部反应腔内形成负压、常压的切换，使反应腔内液体介质中的气体析出、溶解，在析出时形成微米气泡，微米气泡在常压和负压作用下进一步溶解形成纳米气泡，从而在液体介质内形成微纳米气泡，完成微纳米气泡的制备。
35.结合图1，上述微纳米气泡制备装置主要包括制备器2、牵拉组件、控制器12和电磁铁4，牵拉组件通过第二开关13接入控制器12，电磁铁4通过第一开关14接入控制，控制器12用于对牵拉组件进行控制，使牵拉组件输出端能够往复动作；控制器12也能够对电磁铁4进行控制，控制电磁铁4的失电、得电以及调整电磁铁4的磁极。
36.制备器包括滑动块和壳体，滑动块滑动配合壳体形成用于容纳液体的反应腔，滑动块相对于壳体滑动以改变反应腔体积，在制备器2内部形成了反应腔，制备器2的滑动块连接磁性板5，通过磁性板5接受电磁铁4的作用，牵拉组件带动电磁铁4运动时，电磁铁4能够在吸附磁性板5时牵引制备器2的柄部移动，电磁铁4也能够在未吸附电磁铁4时随牵拉组件输出端移动以恢复至初始位置。
37.在本实施例中，制备器2可以采用注射器，注射器内部设有活塞和连接活塞的柄部，牵拉柄部带动活塞相对于注射器本体运动，从而对注射器内部形成腔体的体积进行改变。
38.从结构上而言，制备器为带有可控腔体体积的容器，容器整体密封，开口设置阀门，容器内部配合移动结构，形成近似活塞运动，从而改变容器内部所形成腔体的容积或体积，在其他实施例中，制备器可以采用箱体容器配合活动板，活动板滑动配合箱体，使箱体
内部形成可变体积的腔体，同样在连接腔体的出口端配合阀门，从而增大整个腔体的体积，实现可控、大规模的制备。
39.利用压力变化法的原理，以采用注射器为例，注射器口部配合有锁帽，锁帽能够封堵或敞开注射器内部的腔体，当注射器柄部拉出，注射器内溶液压强减小，气体溶解度降低，溶液中气体析出以微米气泡形式存在；当注射器柄部缩回，注射器内溶液压强增大，气体溶解度增大，微米气泡中部分气体溶于水后形成纳米气泡，从而实现微纳米气泡的常温制备。
40.同样的，在制备器配合滑动块工作时，当制备器的滑动块拉出，制备器的反应腔内溶液压强减小，气体溶解度降低，溶液中气体析出以微米气泡形式存在；当制备器滑动块缩回，制备器的反应腔内溶液压强增大，气体溶解度增大，微米气泡中部分气体溶于水后形成纳米气泡，从而实现微纳米气泡的常温制备。
41.可以理解的是，上述的滑动块为贴合制备器的壳体内壁布置，在滑动块沿壳体内壁滑动时，保持滑动块与壳体配合位置的密封性，调节反应腔的体积。
42.具体的，牵拉组件输出端朝向制备器2滑动块且安装有电磁铁4，制备器2内部反应腔连接阀门1，阀门1能够封堵制备器2内部反应腔的开口，对反应腔进行开启或封堵，在打开阀门1时，可以通过制备器2开口将反应腔内的液体排出，或是通过开口吸取外部液体、气体。
43.可以理解的是，本实施例中的阀门1可以采用控制阀，能够输入不同种类气体并且在制备器内部的滑动块做定量循环后，补充反应腔内溶液中的气体。
44.制备器2的滑动块设有配合电磁铁4的磁性板5，该磁性板5可以选择铁磁性材料制作，比如铁、钴、镍及其合金等。
45.需要特别指出的是，为了后续对磁性板5产生额外的作用，以促进制备器2滑动块的移动速度，可以将磁性板5配置为永磁体或其他能够长时间留存磁性的材质。
46.牵拉组件驱动电磁铁4往复运动的轨迹与制备器2轴线平行，稳定牵拉滑动块，使滑动块依据需求的路径移动，避免偏移造成内部液体的泄露。
47.电磁铁4周期性作用磁性板5以牵引或释放滑动块，制备器2内形成填充有液体的反应腔，通过改变牵引和释放滑动块的次数、行程、速度等运动参数，能够对反应腔内为微纳米气泡的粒径分布进行调整。
48.如图1、图2所示，制备器2、牵拉组件均安装于支架8，制备器2配合有支座3，支座3和牵拉组件相对布置且分别安装于支架8，支架上配合定位块15，以使滑动块运动方向与壳体轴线一致，防止滑动块运动路径的偏移。
49.为了适应不同的制备器2及不同规格的反应腔，支座3上设有配合制备器2管身的夹持部，支座3通过连接件安装于支架8上预设滑槽。本实施例中，连接件可以选用内六角螺钉、螺栓等，对制备器2壳体的轴向、径向以及环向进行约束，避免在制备过程中制备器2壳体大幅度晃动。同时，定位块15对滑动块的移动路径进行约束，使得注射器能够沿设定方向平稳运动。
50.制备器2的口部相对于滑动块处于上方，阀门1可拆卸连接口部，以封堵或敞开口部；制备器2口部朝向上部，在反应腔工作时，阀门1锁定在口部保持封堵，从而维持反应腔内部压强。
51.区别于现有技术中的水平放置制备设备，本实施例中，制备器的滑动块沿竖直方向运动，且配合阀门的一端位于滑动块的上方，阀门用于开启或封闭反应腔，从而能够减少力的偏移。
52.如图1所示，电磁铁4的作用面朝向滑动块连接的磁性板5，电磁铁4通过第一开关14接入控制器12，以控制电磁铁4工况。
53.本实施例中，牵拉组件包括直线往复机构和调节元件，调节元件连接直线往复机构以调节其运动参数，直线往复机构的输出端为牵拉组件输出端。
54.调节元件接入控制器，以控制直线往复机构输出端的运动方向；可以理解的是，直线往复机构可以选用气缸、曲柄滑块机构或丝杠滑块机构等。在其他实施方式中，还可以根据需求进行选择和配置，实现往复驱动动作。
55.在本实施例中，以牵拉组件选用气动组件为例，如图1所示，牵拉组件包括气缸7、控制阀10和气源，气缸7通过气管串联控制阀10后接入气源，气缸7的活塞杆6末端为牵拉组件输出端。
56.同时，控制阀10为两位五通电磁换向阀，控制阀10通过第二开关13接入控制器12，以调整控制阀10工况；两位五通电磁换向阀的两个输出接口分别通过管路接入气缸7，气缸7接入管路位置设有节流阀9。
57.如图1所示，对于电磁铁4的控制，控制器12可以采用单片机，第一开关14、第二开关13可以选用电磁继电器，单片机施加信号控制电磁继电器吸合或断开；利用继电器的常开触点控制控制阀10、电磁铁4线圈的通断电。达到控制牵引组件运动状态和电磁铁4运动状态的目的。
58.可以理解的是，控制器12在对牵引组件和电磁铁4进行控制时，对应牵引组件的两位五通电磁换向阀通过线圈的通断电来切换其所连接管路的流通状态，从而控制气缸7的活塞杆6拉放运动。另外，电磁铁4通过线圈的通断电吸附制备器2滑动块表面的磁性板5，同时，还可以通过控制线圈通入电流的方向来改变作用面的磁极，施加额外磁力作用。
59.本实施例中，气缸7通过高压气源驱动，气源可以选用空气压缩机11、高压气瓶等高压气源，以空气压缩机11为例，空气压缩机11通过气管与控制阀10进气口相连，控制阀10两个出气口通过对应的两根气管分别与气缸7的两个接头对接。气缸7活塞杆6顶端为外螺纹，通过螺纹连接块与电磁铁4底部内螺纹连接固定。
60.另外，气缸7可以通过节流阀9、单片机调节运动速度以及拉放次数等参数，可以实现微纳米气泡大小和浓度的可控制备。
61.可以理解的是，本实施例中，制备器2材质为pp，通过连接件将磁性板5安装于制备器2的滑动块上，使得连接件、磁性板5和滑动块能够共同移动，连接件可以采用卡扣结构，也可以采用其他不破坏滑动块与壳体配合状态的现有连接件，能够使磁性板5与滑动块保持同步动作即可。反应腔内的液体可以选用水等。
62.通过改变注入反应腔内的气体、液体，能够制备不同的微纳米气泡溶液种类，从而满足不同途径的应用；比如：利用氧纳米气泡改善植物健康，将纳米气泡注入灌溉水中，提高氧气吸收效率；利用氧纳米气泡产生羟基自由基作为氧化剂，可分解细菌、藻类等水中有机污染物；利用纳米气泡增强物理分离，使油、油脂等通过浮选或过滤从溶液中分离出来；利用氢纳米气泡的超小粒径作为超声造影剂应用于临床诊断；利用二氧化碳纳米气泡迅速
分解和清除头皮基底层多余油脂，治疗脱发。
63.需要特别指出的是，利用负压作用使牵拉后的滑动块恢复原位置，在惯性作用下，滑动块在恢复至原位置后，仍存在速度，从而使得制备器2滑动块连接的活塞冲击反应腔内的液体介质，扰动液体介质的微米气泡，瞬间冲击增加瞬时压力，提高微米气泡溶解至液体介质中得到纳米气泡的概率，提高制备效率和纳米气泡的形成效率。
64.另外，当将磁性板5配置为永磁体或其他长久存留磁性的板件时，利用电磁铁4能够快速改变作用面磁极极性，在解除对磁性板5吸附以释放滑动块后，可以将电磁铁4作用面的极性切换至相异，从而与磁化后的磁性板5朝向电磁铁4一侧的极性相同，利用同名磁极相斥作用，增加滑动块恢复原位置时的加速度，进一步提高冲击力，促进微米气泡溶解成为纳米气泡的效果，提高制备效率。
65.需要指出的是，现有技术中往复运动时驱动元件全行程跟随活动件，其无法实现惯性下的冲击作用，比如气缸行程不易控制，若精确控制行程，则无惯性冲击，若控制行程增大施加压力作用，则气缸出力太大会损坏制备容器，所以难以达到自由释放的冲击效果。
66.实施例2
67.本发明的另一典型实施方式中，如图1-图2所示，给出一种微纳米气泡的制备方法。
68.利用如实施例1中的微纳米气泡制备装置，该制备方法包括：
69.向反应腔内注入溶解有气体的液体介质，封堵口部并布置制备器2和牵拉组件；
70.牵拉组件输出端带动电磁铁4移动至接触磁性板5，电磁铁4吸附连接磁性板5；
71.牵拉组件反向运动以牵拉制备器2滑动块设定距离，使反应腔内压强减小，液体介质内的气体析出并形成微米气泡；
72.电磁铁4断电以释放磁性板5，滑动块在负压作用下恢复原位置，反应腔内压强增大，微米气泡中部分气体溶于液体介质后形成纳米气泡；
73.重复牵引释放制备器2滑动块，由于纳米气泡的稳定性，液体介质内既有的纳米气泡不会继续发生溶解，在重复牵引释放滑动块时，液体介质内所溶解的气体进一步析出形成微米气泡并在释放时溶解形成纳米气泡，从而获取反应腔内的纳米气泡，并能够通过调整滑动块往复运动的次数来调整液体介质内纳米气泡的浓度。
74.具体的，结合实施例1，以采用气动组件作为驱动件为例，上述制备方法包括以下步骤：
75.a打开电源；
76.b制备器2中注入溶液后排出多余空气并用制备器2阀门1锁紧密封；
77.c安装制备器2及磁性板5；
78.d设定电磁阀和电磁铁4通断电信号；
79.e电磁阀、电磁铁4通断电控制气缸7活塞杆6运动及磁性板5的吸合；
80.f气缸7以恒定速度反复拉放循环后终止开关信号；
81.g关闭电源。
82.上述步骤e中，包括以下具体步骤：
83.具体的运动过程为：
84.1)电磁阀通电，气缸7活塞杆6伸出；
85.2)电磁铁4通电，制备器2滑动块处磁性板5被吸附；
86.3)电磁阀断电，气缸7活塞杆6缩回同时拉动制备器2滑动块伸出；
87.4)电磁铁4断电，电磁铁4磁吸失效，制备器2滑动块受负压作用自动缩回。
88.对应实施例1中的特殊磁性板5，本实施例中，在电磁铁4释放磁性板5时，改变电磁铁4朝向磁性板5一侧的磁极使其与磁性板5的磁性相斥，加速滑动块恢复原位置。
89.需要指出的是，对牵拉组件配置控制程序以自动制备微纳气泡，通过控制牵拉组件驱动滑动块往复运动的参数，调节所制备微纳米气泡的浓度，也可以改变水体中微纳米气泡的尺寸规格；同样的，可以调剂调节液体介质和气体的类型，从而改变制备的微纳米气泡种类。
90.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。