微納米氣泡發(fā)生器

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微納米氣泡技術(shù)不只是一個技術(shù)，也存在理論的問題，過去許多年理論上認為納米氣泡不可能在溶液中長時間存在，因為按照傳統(tǒng)理論，氣泡體積越小，因為表面張力造成的內(nèi)部壓力越大，這種壓力計算值可以達到非常巨大，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，氣泡的壽命會指數(shù)下降，但是實際情況并不是這樣，納米氣泡能在溶液中長時間存在，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。這正是氣體生物學效應(yīng)的重要基礎(chǔ)。因此納米氣泡技術(shù)與氫氣生物學簡直就是珠聯(lián)璧合。從事氫氣醫(yī)學技術(shù)開發(fā)的學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，研究者們就已經(jīng)利用流體力學和物理學開始了對于毫米級氣泡在液體中生成、上升過程的研究。上個世紀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，極大地促進了化工機械的大/規(guī)模應(yīng)用。氣泡的微細化是化學工業(yè)中促進物質(zhì)移動，增進化學反應(yīng)速度的關(guān)鍵技術(shù)，但在當時尚未出現(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90年代后期產(chǎn)生的，21世紀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、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，當氣體在液體中受到剪切力的作用時就會形成大小、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。空氣和水的接觸面積就增加了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 會受到0.3個大氣壓的壓力，而直徑1μm的氣泡會受高達3個大氣壓的壓力。微納米氣泡在水中的溶解是一個氣泡逐漸縮小的過程，壓力的上升會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，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。當微納米氣泡在水中收縮時，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能一下子釋放出來，此時可激發(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。當氣泡直徑較小時，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，并且這種特性使得微氣泡即使在水體中氣體含量達到過飽和條件時，仍可繼續(xù)進行氣體的傳質(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，使得微納米氣泡在緩慢的上升過程中逐步縮小成納米級，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。在標準環(huán)境下，氣體的溶解度很難達到飽和溶解度以上。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)是按照流體力學計算為依據(jù)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)生器，在進入發(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，利用負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上，當高速旋轉(zhuǎn)的液體和氣體在適當?shù)膲毫ο聫奶貏e設(shè)計的噴射口噴出時，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）的力學上的相乘效果，在氣液接觸界面間產(chǎn)生高速強力的剪切及高頻率的壓力變動，形成人造條件，在這種條件下生成大量微米、納米級氣泡的同時具有打碎聚合分子團，形成小分子團活性水（不是本號觀點）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%，溶解氧濃度可以達到飽和濃度以上，并且微納米氣泡是以氣泡的方式長時間（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充活性氧，為處理污水的微生物提供了充足的活性氧、強氧化性離子團，并保證了活性氧充足的反應(yīng)時間，由微納米氣泡處理過的水的凈化能力遠遠高于自然條件下的自凈能力。