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微納米氣泡發(fā)生裝置

  • 發(fā)布時(shí)間:2017-09-08
  • 產(chǎn)品品牌:杭州桂冠環(huán)保
  • 產(chǎn)品型號(hào):HG
  • 連接形式:法蘭連接
  • 產(chǎn)品材質(zhì):碳鋼、304、不銹鋼、316
  • 公稱(chēng)通徑:DN50~DN1000
  • 行業(yè)應(yīng)用:環(huán)保,農(nóng)業(yè),醫(yī)藥,灌溉

微納米氣泡發(fā)生裝置

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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(wèn)題,過(guò)去許多年理論上認(rèn)為納米氣泡不可能在溶液中長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)直就是珠聯(lián)璧合。從事氫氣醫(yī)學(xué)技術(shù)開(kāi)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(kāi)始了對(duì)于毫米級(jí)氣泡在液體中生成、上升過(guò)程的研究。上個(gè)世紀(jì)50年代,在化工領(lǐng)域開(kāi)始了對(duì)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(chēng)作氣泡。氣泡的形成現(xiàn)象,在自然界中的許多過(guò)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(duì)氣泡的分類(lèi)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(guò)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(shuō),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(wàn)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(duì)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(guò)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(lái)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(wú)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(yáng)離子比陰離子更容易離開(kāi)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(shì)差常利用ζ電位來(lái)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(lái),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)生的超強(qiáng)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(duì)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(guò)程中比傳統(tǒng)氣泡具有明顯優(yōu)勢(shì)。當(dāng)氣泡直徑較小時(shí),微氣泡界面處的表面張力對(duì)氣泡特性的影響表現(xiàn)得較為顯著。這時(shí)表面張力對(duì)內(nèi)部氣體產(chǎn)生了壓縮作用,使得微氣泡在上升過(guò)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(wú)限縮小,氣泡界面的比表面積也隨之無(wú)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(wú)限大。因此,微氣泡在其體積收縮過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)飽和條件時(shí),仍可繼續(xù)進(jìn)行氣體的傳質(zhì)過(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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)壓軸,利用負(fù)壓軸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)壓軸上,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?gòu)?qiáng)力的剪切及高頻率的壓力變動(dòng),形成人造極端條件,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,具有超強(qiáng)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(guò)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(zhǎng)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(guò)的水的凈化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然條件下的自?xún)裟芰Α?/span>

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