微納米氣泡發(fā)生器

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微納米氣泡技術(shù)不只是一個(gè)技術(shù)，也存在理論的問題，過去許多年理論上認(rèn)為納米氣泡不可能在溶液中長時(shí)間存在，因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)理論，氣泡體積越小，因?yàn)楸砻鎻埩υ斐傻膬?nèi)部壓力越大，這種壓力計(jì)算值可以達(dá)到非常巨大，而根據(jù)氣體溶解亨利定律，壓力越大溶解量越大，溶解速度越快，因此隨著氣泡體積縮小，氣泡的壽命會(huì)指數(shù)下降，但是實(shí)際情況并不是這樣，納米氣泡能在溶液中長時(shí)間存在，給這種技術(shù)的應(yīng)用提供了重要支持。但是氣泡長時(shí)間存在的理論解釋仍然不完善。
納米氣泡本質(zhì)上是一種高效氣體溶解技術(shù)，不僅能提高溶解速度，也能有效提高氣體的表觀溶解度。這正是氣體生物學(xué)效應(yīng)的重要基礎(chǔ)。因此納米氣泡技術(shù)與氫氣生物學(xué)簡直就是珠聯(lián)璧合。從事氫氣醫(yī)學(xué)技術(shù)開發(fā)的學(xué)者必須了解和掌握這種概念和技術(shù)。
一、微納米氣泡技術(shù)的發(fā)展歷史
早在19世紀(jì)，研究者們就已經(jīng)利用流體力學(xué)和物理學(xué)開始了對于毫米級(jí)氣泡在液體中生成、上升過程的研究。上個(gè)世紀(jì)50年代，在化工領(lǐng)域開始了對氣泡和液滴的研究。其后，兩相流（氣液、液液）特別是氣液分散相的基礎(chǔ)現(xiàn)象的研究成果，極大地促進(jìn)了化工機(jī)械的大/規(guī)模應(yīng)用。氣泡的微細(xì)化是化學(xué)工業(yè)中促進(jìn)物質(zhì)移動(dòng)，增進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度的關(guān)鍵技術(shù)，但在當(dāng)時(shí)尚未出現(xiàn)能夠應(yīng)用于化工領(lǐng)域的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)和手段。
微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是20世紀(jì)90年代后期產(chǎn)生的，21世紀(jì)初在日本得到了蓬勃的發(fā)展，其制造方法包括旋回剪切、加壓溶解、電化學(xué)、微孔加壓、混合射流等方式，均可在一定條件下產(chǎn)生微納米級(jí)的氣泡。

二、微納米氣泡的定義
通常我們把氣體在液體中的存在現(xiàn)象稱作氣泡。氣泡的形成現(xiàn)象，在自然界中的許多過程中都能遇到，當(dāng)氣體在液體中受到剪切力的作用時(shí)就會(huì)形成大小、形狀各不相同的氣泡。目前，對氣泡的分類與定義并不是十分嚴(yán)格，按照從大到小的順序可分為厘米氣泡（CMB）、毫米氣泡（MMB）、微米氣泡（MB）、微納米氣泡（MNB）、納米氣泡（NB）。所謂的微納米氣泡，是指氣泡發(fā)生時(shí)直徑在10微米左右到數(shù)百納米之間的氣泡，這種氣泡是介于微米氣泡和納米氣泡之間，具有常規(guī)氣泡所不具備的物理與化學(xué)特性。
三、微納米氣泡的特性
1、比表面積大
氣泡的體積和表面積的關(guān)系可以通過公式表示。氣泡的體積公式為V=4π/3r3，氣泡的表面積公式為A=4πr2，兩公式合并可得A=3V/r，即V總=n·A=3V總/r。也就是說，在總體積不變（V不變）的情況下，氣泡總的表面積與單個(gè)氣泡的直徑成反比。根據(jù)公式，10微米的氣泡與1毫米的氣泡相比較，在一定體積下前者的比表面積理論上是后者的100倍?？諝夂退慕佑|面積就增加了100倍，各種反應(yīng)速度也增加了100倍。
2、上升速度慢
根據(jù)斯托克斯定律，氣泡在水中的上升速度與氣泡直徑的平方成正比。氣泡直徑越小則氣泡的上升速度越慢。氣泡直徑1mm的氣泡在水中上升的速度為6m/min，而直徑10μm的氣泡在水中的上升速度為3mm/min，后者是前者的1/2000。如果考慮到比表面積的增加，微納米氣泡的溶解能力比一般空氣增加20萬倍。
3、自身增壓溶解
水中的氣泡四周存有氣液界面，而氣液界面的存在使得氣泡會(huì)受到水的表面張力的作用。對于具有球形界面的氣泡，表面張力能壓縮氣泡內(nèi)的氣體，從而使更多的氣泡內(nèi)的氣體溶解到水中。
根據(jù)楊-拉普拉斯方程，?P=2σ/r，?P代表壓力上升的數(shù)值，σ代表表面張力，r代表氣泡半徑。直徑在0.1mm以上的氣泡所受壓力很小可以忽略，而直徑10μm的微小氣泡 會(huì)受到0.3個(gè)大氣壓的壓力，而直徑1μm的氣泡會(huì)受高達(dá)3個(gè)大氣壓的壓力。微納米氣泡在水中的溶解是一個(gè)氣泡逐漸縮小的過程，壓力的上升會(huì)增加氣體的溶解速度，伴隨著比表面積的增加，氣泡縮小的速度會(huì)變的越來越快，從而最終溶解到水中，理論上氣泡即將消失時(shí)的所受壓力為無限大。
4、表面帶電
純水溶液是由水分子以及少量電離生成的H和OH-組成，氣泡在水中形成的氣液界面具有容易接受H 和OH-的特點(diǎn)，而且通常陽離子比陰離子更容易離開氣液界面，而使界面常帶有負(fù)電荷。已經(jīng)帶上電荷的表面傾向于吸附介質(zhì)中的反離子，特別是高價(jià)的反離子，從而形成穩(wěn)定的雙電層。微氣泡的表面電荷產(chǎn)生的電勢差常利用ζ電位來表征，ζ電位是決定氣泡界面吸附性能的重要因素。當(dāng)微納米氣泡在水中收縮時(shí)，電荷離子在非常狹小的氣泡界面上得到了快速濃縮富集，表現(xiàn)為ζ電位的顯著增加，到氣泡破裂前在界面處可形成非常高的ζ電位值。

5、產(chǎn)生大量自由基
微氣泡破裂瞬間，由于氣液界面消失的劇烈變化，界面上集聚的高濃度離子將積蓄的化學(xué)能一下子釋放出來，此時(shí)可激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自由基。羥基自由基具有超高的氧化還原電位，其產(chǎn)生的*氧化作用可降解水中正常條件下難以氧化分解的污染物如苯酚等，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的凈化作用。
6、傳質(zhì)效率高
氣液傳質(zhì)是許多化學(xué)和生化工藝的限速步驟。研究表明，氣液傳質(zhì)速率和效率與氣泡直徑成反比，微氣泡直徑極小，在傳質(zhì)過程中比傳統(tǒng)氣泡具有明顯優(yōu)勢。當(dāng)氣泡直徑較小時(shí)，微氣泡界面處的表面張力對氣泡特性的影響表現(xiàn)得較為顯著。這時(shí)表面張力對內(nèi)部氣體產(chǎn)生了壓縮作用，使得微氣泡在上升過程中不斷收縮并表現(xiàn)出自身增壓效應(yīng)。從理論上看，隨著氣泡直徑的無限縮小，氣泡界面的比表面積也隨之無限增大，最終由于自身增壓效應(yīng)可導(dǎo)致內(nèi)部氣壓增大到無限大。因此，微氣泡在其體積收縮過程中，由于比表面積及內(nèi)部氣壓地不斷增大，使得更多的氣體穿過氣泡界面溶解到水中，且隨著氣泡直徑的減小表面張力的作用效果也越來越明顯，最終內(nèi)部壓力達(dá)到一定極限值而導(dǎo)致氣泡界面破裂消失。因此，微氣泡在收縮過程中的這種自身增壓特性，可使氣液 界面處傳質(zhì)效率得到持續(xù)增強(qiáng)，并且這種特性使得微氣泡即使在水體中氣體含量達(dá)到過飽和條件時(shí)，仍可繼續(xù)進(jìn)行氣體的傳質(zhì)過程并保持高效的傳質(zhì)效率。
7、氣體溶解率高
微納米氣泡具有上升速度慢、自身增壓溶解的特點(diǎn)，使得微納米氣泡在緩慢的上升過程中逐步縮小成納米級(jí)，最后消減湮滅溶入水中，從而能夠大大提高氣體（空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳等）在水中的溶解度。對于普通氣泡，氣體的溶解度往往受環(huán)境壓力的影響和限制存在飽和溶解度。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，氣體的溶解度很難達(dá)到飽和溶解度以上。而微納米氣泡由于其內(nèi)部的壓力高于環(huán)境壓力，使得以大氣壓為假定條件計(jì)算的氣體過飽和溶解條件得以打破。
四、微納米氣泡的發(fā)生方法
旋回式氣液混合型微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是按照流體力學(xué)計(jì)算為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)生器，在進(jìn)入發(fā)生器的氣液混合流體在壓力作用下高速旋轉(zhuǎn)，并在發(fā)生器的中部形成負(fù)，利用負(fù)的吸力可將液體中混合的氣體或者外部接入的氣體集中到負(fù)上，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的液體和氣體在適當(dāng)?shù)膲毫ο聫奶貏e設(shè)計(jì)的噴射口噴出時(shí)，由于噴口處混合氣液的超高的旋轉(zhuǎn)速度與氣液密度比（1:1000）的力學(xué)上的相乘效果，在氣液接觸界面間產(chǎn)生高速強(qiáng)力的剪切及高頻率的壓力變動(dòng)，形成人造條件，在這種條件下生成大量微米、納米級(jí)氣泡的同時(shí)具有打碎聚合分子團(tuán)，形成小分子團(tuán)活性水（不是本號(hào)觀點(diǎn)）的效果，并能夠?qū)⑿〔糠炙肿与婋x分解，可以在微納米氣泡空間中產(chǎn)生活性氧、氧離子、氫離子和氫氧離子等自由基離子，尤其氫氧自由基有超高的還原電位，具有*氧化效果可以分解水中正常條件下也難以分解的污染物，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化。微納米氣泡在水中的溶解率超過85%，溶解氧濃度可以達(dá)到飽和濃度以上，并且微納米氣泡是以氣泡的方式長時(shí)間（上升速度6cm/分鐘）存留在水中，可以隨著溶解氧的消耗不斷地向水中補(bǔ)充活性氧，為處理污水的微生物提供了充足的活性氧、強(qiáng)氧化性離子團(tuán)，并保證了活性氧充足的反應(yīng)時(shí)間，由微納米氣泡處理過的水的凈化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然條件下的自凈能力。