CN101541690A - 微气泡发生装置和微气泡发生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以溶气气浮法(DAF)生成大量超微细气泡的微气泡发生装置，其由泵、混合室和喷嘴构成。其中，泵分别吸入气体和液体进行混合；混合室收容从该泵压送的气体和液体进行再次混合；喷嘴从该混合室喷出得到的经再次混合的气体和液体的混合物。在该混合室中，板排列成至少一个以上的层，该板上形成用于使气体和液体的混合物流过的多个孔，该泵的前方设有吸气阀，从而调节流入该泵的气体的量。由于这种结构，根据该吸气阀的开口大小和吸气室内部的压力大小可调节微气泡的大小分布。因此，本发明能够利用泵和变形形态的加压罐根据溶气气浮法(DAF)以低廉的费用生成大量超微细气泡。

Description

微气泡发生装置和微气泡发生方法
技术领域
本发明涉及微气泡的发生，尤其是涉及一种利用泵和变形形态的加压罐用溶气气浮法(Dissolved Air Flotation，DAF)生成大量超微细气泡的微气泡发生装置及利用此装置的微气泡发生方法。
背景技术
众所周知，微气泡(通常称作Microbubble)是对直径50μm以下气泡的总称。微气泡的生成主要是以加压溶解的方法实现，而本发明的微气泡的发生具体是以溶气气浮法(DAF)形成。
溶气气浮法(DAF)是一种水处理方法，它以较大的压力使空气充分溶解在水中，并将其注入到待处理的原水中，在原水中得到减压的水，使过饱和的空气形成为微气泡，微气泡与待处理水中的絮凝物(floc)结合，这种气泡-絮凝物从水中快速上升到水表面从而形成固体和液体分离。在此，絮凝物是指固体微粒子分散在液体中的悬浮液或悬浮状态下固体微粒子通过试剂的作用相互凝聚而形成较大的聚集体。
DAF法的特征是与现有沉淀池相比，消耗较小的面积(处理时间短)，提高硅藻类及蓝藻等藻类的去除效率，减少凝聚剂量(减少约10～25％)，淤泥的含水率低(约95～97％含水率)。
溶气气浮法(DAF)在关于水处理的沉淀方面具有多种优点，包括减少凝聚剂和生成的沉淀物(淤泥)体积。尤其是，为分离固体-液体，使用较高的水力负荷率(hydraulic loading rate)，因此可使用小于沉淀所需大小的悬浮室，从而减少组装费用(Edzwald and walsh，1992)。
据悉，经处理的水中残留凝聚剂的浓度比沉淀法中的凝聚剂浓度低，经去除后水质量在4℃以下的低温下也良好(AWWA，1999)。由于它的多种优点，即使需要循环及饱和器系统、动力费用和稍微复杂的运转条件，DAF法也得到了较大的发展。因目前DAF法被广泛利用，所以需要设计方面的改善和最佳的运转条件。因此许多研究人员正在进行各种实验和模型化研究。
从DAF理论和实践的最近发展得知，气泡的大小是DAF法中最为重要的参数之一(Edzwald，1995)。利用图像分析及粒子计数器可容易地测定出所生成的气泡大小(Han等人，2002c)。发现压力对气泡大小的影响是非线性的。气泡大小随着压力的增加而变小，但在3.5个大气压以上的压力下就不会再减少(De Rijk等人，1994；Han等人，2002a)。然而，对气泡的最佳大小仍存在异议。
Han(2001)及Han等人(2001)提出当气泡和粒子具有相似的大小并带有相反电荷时去除效率最高。但部分制造商主张更小的气泡具有更高的效率(Rubio等人，2002)。
在DAF法中，较小的气泡大小能提高接触区域内气泡和絮凝物之间的碰撞效率，较大的气泡大小因絮凝物-气泡聚集体结合的速度增加更快而提高了分离效率。但如果是小气泡，因碰撞效率高而附着在其聚集体上的气泡数量增多，显示出类似于大气泡的更高上升率。因此小的气泡可增加对小絮凝物的附着，从而提高水处理的效率。
其结论是，尽管发生小气泡费用更大，但为提高DAF法效率，小气泡的发生最为适宜。但是与小气泡生成相关的高能源费用和复杂的操作限制了DAF系统的使用。
在方法效率方面，DAF法中发生的气泡大小是重要的因素。发生气泡需要消耗高能源和费用。目前DAF系统中所发生的气泡大小为约30μm。根据DAF法的实验结果和模型，气泡大小表示被去除的粒子大小范围。即，气泡大小越小，能被去除的粒子大小越小。
如图1所示，现有DAF系统1由当作循环泵使用的高压循环水泵2、空气压缩机1a、发生气泡并通过改变进入到内部的空气量和内部压力而改变气泡大小的加压罐3构成。图1的未说明符号“1b”是排水阀，“3a”是压力计。
在这种现有气泡发生装置中，其缺点在于，装置的结构复杂，操作难，而且作为必要的组成要素必须具备压缩机，运转所引起的噪音和振动较大，所消耗的费用也大大增加。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单并易于操作运转的、根据溶气气浮法能以低廉的费用生成大量微气泡的微气泡发生装置及微气泡发生方法。
为达成上述目的，本发明的微气泡发生装置由泵、混合室和喷嘴构成。其中，泵吸入气体和液体进行混合；混合室将从所述泵中压送的所述气体和所述液体进行再次混合；喷嘴喷出被所述混合室再次混合的所述气体和所述液体的混合物。本发明对所述气体量和所述混合室的压力进行调节而发生微气泡。
此外，为达到上述目的，本发明的微气泡发生方法包括以下步骤：将气体和液体分别吸入到泵内的步骤；通过所述泵时所述气体和液体被打碎，进行混合的步骤；经所述泵将被所述泵混合的所述气体和所述液体压送流入混合室的步骤；所述气体和所述液体进行再次混合，所述混合室的内部形成预定内压的步骤；从所述混合室向外喷出得到的经再次混合的所述气体和所述液体的混合物的步骤。
在本发明中，所述气体和所述液体的混合物通过位于所述混合室一侧的喷嘴喷出，而喷嘴最为适宜的是可开闭的多孔型喷嘴。
最为适宜的是，在所述混合室中，板排列成至少一个以上的层，所述板上形成用于使所述气体和所述液体的混合物流过的多个孔。
另一变形例是，所述混合室具有由上端密封的外部室和与所述外部室的壁隔离并且上端开放的内部室构成的双重室结构，与所述混合室的入口处相连接的流入管延伸至所述内部室的底部，与出口处相连接的流出管通过所述内部室和所述外部室之间的隔离空间延伸至所述外部室的底部附近。所述泵内的所述气体和所述液体的混合物流入到所述内部室内，从所述内部室溢出的所述混合物从所述外部室经过配管流入到所述喷嘴。
此外，所述泵的前方设有吸气阀，从而调节流入所述泵的气体的量，根据所述吸气阀的开口大小和混合室内部的压力大小可调节所述微气泡的大小分布。
最为适宜的是，所述气体为空气、氧气或臭氧，所述液体为水。
综上所述，本发明利用泵和变形形态的混合室，以低廉的费用根据溶气气浮法(DAF)生成大量超微细气泡。
附图说明
图1为现有技术的微气泡发生装置的概略结构图；
图2为本发明的微气泡发生装置的概念图；
图3为图2所示的微气泡发生装置的概略结构图；
图4为图3所示的加压罐的适宜实施形态的简略图；
图5为图3所示的加压罐变形例的示意图；
图6为图5所示的加压罐的内部结构剖面图；
图7为用作本发明的参照图而提供的联机粒子计数器传感器的详细图；
图8及图9为用作本发明的参照图而提供的根据气泡发生器内压力的气泡大小分布以及平均气泡大小的图；
图10及图11为用作本发明的参照图而提供的在4个大气压下根据吸气阀开口部大小的气泡大小分布的图；
图12为用作本发明的参照图而提供的本发明过饱和型(DAF)的气泡大小分布的图；
图13为用作本发明的参照图而提供的混合室内部结构图；
图14为用作本发明的参照图而提供的从喷嘴的一端流向另一端时所产生的压力损失概念图；
图15为用作本发明的参照图而提供的轨道分析-碰撞效率的图；
图16为用作本发明的参照图而提供的在5个大气压下絮凝物大小与残留浑浊度之间关系的图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的基本原理和结构进行说明。
图2所示的是根据本发明的微气泡发生装置的概念性结构，本发明微气泡发生装置1’的基本结构是由吸入气体和液体进行混合的泵2’和把从上述泵2’压送的上述气体和上述液体进行再次混合的混合室3’构成。
在混合室3’的入口和出口处分别延伸有配管4，5，混合室3’入口处的配管4连接上述泵2’。此外，泵2’的入口处设有2个配管6，7，当泵2’被启动时液体通过其中一个配管6流入，气体通过另一配管7流入。上述气体进入的配管7上设有吸气阀7a而能够调节供应到泵2’的气体量。另外，混合室3’的出口处具备喷出上述经再次混合的气体和液体的混合物的喷嘴8。
使用这种结构，通过调节泵2’的加压力和上述喷嘴8以及对上述混合室3’内部结构选择性的调节，可实现上述混合室3’内部压力的调节，与此同时在上述混合室3’的内部发生大量的微气泡，并通过混合室3’出口处的配管5排出。图2的未说明符号“3’a”是压力计，“3’b”是排出口。
在本发明中，最为适宜的是上述气体为大气中的空气、氧气或臭氧，上述液体为水。
下面对本发明的最为适宜的实施形态进行说明。
在以下的实施例中前述的气体可从一般空气、氧气或臭氧当中选择使用。而且前述的液体可使用水。
[实施例1]
图3所示的是根据本发明的微气泡发生装置的概略结构，如图所示，本发明的微气泡发生装置其基本结构是泵10和对应于上述图2中混合室3’的加压罐20。
泵10的出口处通过配管(水管)11与加压罐20的入口处连接，泵10的入口处与加压罐20的出口处分别引出延伸至蓄水槽15内的配管(水管)12，13。
为调节从蓄水槽15流入的水，本发明在水管12的入水口12a和泵10之间设有流量调节阀14和止回阀16。而且上述水管12的入水口12a和泵10之间连接吸入大气中空气的吸气管17。本发明中吸气管17的连接位置最好是图3所示的流量调节阀14和止回阀16之间。
吸气管17延伸至蓄水槽15外部，吸气管17上设有流量计18和三通阀19。三通阀19的一侧延伸有第一支管17a，从而使大气中的空气流入，在三通阀19的另一侧延伸有第二支管17b并使其与氧气发生器(或臭氧发生器，以下称为氧气/臭氧发生器)30连接。第一支管17a和第二支管17b根据三通阀19的开闭方向可与吸气管17连通，大气中的空气和氧气/臭氧发生器的氧气或臭氧的供应可根据三通阀19的开闭方向进行选择。
如图3所示，上述第二支管17b上设有吸气阀19a。吸气阀19a调节供应到泵10内的氧气或臭氧的量，虽然未图示，但为了同时调节大气中通过第一支管17a供应的空气量，也可以将其设置在吸气管17上。而且在从加压罐20延伸出的上述水管13端部即出水口设有喷嘴13a，从而喷出包括微气泡的上述气体和液体的混合物，并对其进行控制。为此，上述喷嘴13a为多孔形状，并以可开闭的结构形式为宜。
图3的未说明符号“20a”为正压计，“20b”为负压计，“20c”为安全阀。
图4所示的是图3的加压罐的一个实施形态，图示了加压罐内部结构的概略性形态。
如图所示，加压罐20具备流入口21和流出口22。由泵10压送的水、空气或氧气(或臭氧)的混合物通过流入口21进入，流出口22则排出从上述加压罐20内部生成的气泡。
加压罐20具有一定大小的内部空间，具备横穿流入处至流出处的内部空间并连接内壁面的一个以上的板层23，24，25，26。这些板层23，24，25，26如图所示，以一定间隔具备多个为宜，各板层23，24，25，26上为使上述水、空气或氧气(或臭氧)的混合物流过，可形成如同孔口(orifice)的孔23a，23b，24a，25a，25b，26a。而且各板层23，24，25，26上形成的孔23a，23b，24a，25a，25b，26a的直径和个数可根据通过该孔的混合物的所需压力来选择。
图4的未说明符号“13a”为喷嘴(参照图3)。
使用以上结构，当上述水、空气或氧气(或臭氧)的加压混合物流入到加压罐20内并从加压罐20排出时，快速流过形成在各板层23，24，25，26上的孔23a，23b，24a，25a，25b，26a。
尤其是，上述加压混合物离流出口22越近，具有越快的通过流速。但是，离流出口22越近流体的通过流速越快，相反，其各板层上的流体压力会快速下降。这种短时间内压力的快速下降会引起比DAF法中发生的极限μm大小的气泡更小的气泡发生，从而发生更多数量的微气泡。
下面根据以上本发明的微气泡发生装置的结构，对由泵压送的气体和液体的混合物流过加压罐时引起变化的过程进行说明。
对加压罐20的水和空气(氧气或臭氧)的供应通过泵10的启动实现。启动泵10的同时，水顺着第二水管12流入到泵内部，与此同时大气中的空气或氧气/臭氧发生器30中生成的氧气(或臭氧)通过吸气管17流入到泵10内得到混合。即，根据三通阀19的开闭方向选择空气或氧气(或臭氧)的供应，当三通阀19关闭第二支管17b时，供应大气中的空气，当三通阀19关闭第一支管17a时，供应氧气/臭氧发生器30中生成的氧气(或臭氧)。
与水一同流入到泵10内的空气(氧气或臭氧)通过泵10内部叶轮(未图示)的旋转形成第一次细微的散射，以溶于水中的状态发生气泡，并通过第一水管11压送到加压罐20的内部。从流入口21进入到加压罐20内部的上述水和空气(氧气或臭氧)的混合物流过各板层23，24，25，26上的孔23a，23b，24a，25a，25b，26a，与此同时各个孔23a，23b，24a，25a，25b，26a的后侧发生高湍流混合区域。
该区域的湍流引起剧烈的压力变动，由于射流的压力较低，产生负压力区域。在这些条件下，每当产生急剧的压力下降时发生气泡，尤其是如图4所示，经过的板层数量越多，产生的气泡越多而且越小。
[实施例2]
图5为图3所示的加压罐变形例的示意图，图6为图5所示的加压罐的内部结构剖面图。
如图所示，加压罐20’以内部室27和外部室28的双重室结构构成。外部室28的上端为密封形态，内部室27以与外部室28的内壁隔离的状态形成上端开放的形态。外部室28的表面具备连接到各水管11，13(参照图3)的流入口21′和流出口22′，流入口21′和流出口22′向加压罐20′的内侧方向延伸有各配管20′a，20′b。
最为适宜的是，从流入口21′延伸出的流入管20′a延伸至内部室27的底部，从流出口22′延伸出的流出管20′b通过内部室27和外部室28之间的隔离空间延伸至上述外部室28的底部。
下面根据加压罐的变形例对压送的气体和液体的混合物流过加压罐时引起变化的过程进行说明。
根据图3的结构，与水一同流入到泵10内的空气(氧气或臭氧)通过泵10内部叶轮(未图示)的旋转形成第一次细微的散射，以溶于水中的状态发生气泡，并通过第一水管11流入到加压罐20′的内部。
通过加压罐20′的流入口21′进入的水和空气(氧气或臭氧)的混合物经过流入管20′a供应到内部室27，从内部室27溢出的上述混合物(W)填充外部室28的内部，即上述外部室28和内部室27之间的空间。
这时未得到完全溶解的空气(A)从水中分离而填充加压罐20′的内侧上方空间，混合物通过上述流入管20′a继续填充外部室28的内部。在此过程中加压罐20′的内部对混合物施加较大的压力，水中溶解的空气保持高压的压缩状态。
上述加压混合物顺着流出管20′b以渐快的速度上升，随之顺着延伸至加压罐20′外部的第三水管13排出，离第三水管13末端部的喷嘴13a(参照图3)越近，其流速越快，从而在流过上述喷嘴13a的瞬间具有最大的通过流速。
与离喷嘴13a越近加压混合物的通过流速越快，相反，上述混合物的压力快速下降，从而在流过喷嘴13a的瞬间具有最小压力，在此过程中上述混合物的溶解空气中发生微气泡。
由于这种短时间内发生压力的快速下降，水和空气(或氧气或臭氧)的混合物能够发生比DAF法中所生成的极限μm大小的气泡更小的气泡，并将发生更多数量的微气泡。
[实验内容]
如上所述，根据本发明，利用非常简单的系统开发了发生微气泡的气泡发生装置。而且根据本发明，提供能够满足低能源要求条件的同时可发生微气泡的气泡发生器。另外，根据本发明，本发明者通过对气泡发生器的操作参数和混合室(加压罐)的内部结构进行变化从而能够生成20μm至100μm的所需平均大小的气泡。
下面显示根据本发明的微气泡发生器的部分结论，并总结本发明的开发意义。
微气泡的大小通过图像分析得以测定。微气泡的大小通过肉眼，以最为简单而广泛使用的方法被测定。该方法用于测试各气泡大小，尽管有高精度测量，但存在复杂的实验仪器及长时间测定的问题。因此该方法在于测定多种大小的大量气泡，其可靠性受到限制。
另一种方法是，测试气泡的上升速度，然后根据斯托克斯定律(Stoke′s Law)计算大小。但是由于气泡的大小不均匀，而且多数气泡的上升速度与单一气泡的上升速度不一致，因此没有通用方程式可根据上升速度预测气泡大小分布。
为克服这种缺点，本发明根据Han等人(2002b)的方法进行了测定。本发明中测定气泡大小时使用的是联机粒子计数器(Chemtrac ModelPC2400D，USA)。该仪器提供能测定大小范围的7个可调节通道。在本发明的开发中，为提高测定的精确度，使用两个相同的粒子计数器增加通道数(参照图7的“联机粒子计数器的传感器详细图”)。
在图7中，激光通过(保持样品的)传感器投射到检测器上。当样品通过传感器时，光因为气泡而散射变暗。光的散射及模糊感使到达检测器的光强度减少，光强度的减少与气泡大小成比例。随着激光强度的减少，发生电压脉冲。在此，脉冲数量表示气泡数量，各脉冲的高度表示特定气泡的大小。
使用尽可能保持短的直管，以在光到达传感器前使可能的气泡聚结最小化。取样流速是制造商所推荐的100ml/min。由于该方法无法区别气泡和粒子，而且为减少固体粒子的干扰，使用蒸馏水和去离子水。空白实验表明几乎所有残留粒子具有10μm以下的直径。粒子计数器的测定大小范围为2至100μm，增量为10μm，但忽略了第一通道(2-10μm)的结果。在各组条件下，得到3个分布数据组，为了分析而使用平均值。
[实验结果及总结]
本发明的微气泡发生装置由泵、加压罐(混合室)、吸气管(吸气阀)及喷嘴构成。气泡发生原理是将空气和水同时吸入到泵内。
分别吸入到泵内的水和空气在高压下得到混合，空气根据亨利定律(Henry′s law)溶解于水。在混合室内部进行再次混合。由于加压水通过喷嘴在大气压下排出，微气泡因压力下降而得以生成。
本发明的气泡发生器和现有DAF系统的最大区别是，本发明的泵可执行循环泵、压缩机以及加压罐的功能。因此具有能够以更简单的系统执行DAF法的优点(参照图1与图2)。
测定出混合室(加压罐)的压力，并在从喷嘴喷出之后确定气泡的大小与数量。可以通过改变泵的压力、进入泵的空气量以及混合室的内部结构与水力的特性，从而改变气泡大小。将从气泡发生器发生的气泡大小与从DAF实验系统发生的气泡大小进行比较。
为确定混合室内的压力、流入泵内的空气量以及混合室的形状(内部结构)的变化对气泡大小的影响，进行以下研究。
1)混合室内的压力影响
DAF法中的气泡大小根据喷嘴前后的压力差和喷嘴的形状受到很大的影响(AWWA，1999)。压力越大，气泡大小越小。据悉在4-6个大气压(atm)下，气泡大小为大约10-100μm(平均40μm)(Edwald，1995)。根据操作压力，由本发明气泡发生器生成的气泡大小分布以及平均气泡大小图示在图8与图9(根据气泡发生器内压力的气泡大小分布以及平均气泡大小)中。
混合室内的压力可由泵进行调节。随着压力的增加，大小分布变小。这意味着发生大量的更小气泡。5个大气压和6个大气压下气泡大小分布几乎一致。平均气泡大小在高压下更小。5个大气压下的平均气泡大小为34μm左右。由本发明气泡发生器发生的气泡大小的极限是34μm。一些研究人员指出，超过一定压力时平均气泡大小不会持续减小(De Rijk等人，1994；Han等人，2002a；Rykaart和Haarhoff，1995)。上述结果可根据他们的发现为基础作出解释。
对本发明的气泡发生器和DAF法进行比较，在多种操作压力(3-6个大气压)下的平均气泡大小和气泡大小分布的峰值点如表1所示。将由本发明的气泡发生器生成的气泡与在DAF法发生的气泡进行比较发现，在所有的压力下平均大小稍微更大。
表1
Figure A20088000002700151
然而，观察气泡大小分布的峰值点，在5个大气压及6个大气压下由本发明的气泡发生器发生的气泡平均大小大，但峰值点小。即，DAF系统在超过4个大气压的压力下气泡大小无变化，而本发明的气泡发生器在超过5个大气压的压力下气泡大小无变化，而且能发生比DAF更小的气泡。
2)流入泵内的空气量
为确定流入到泵内的空气量对气泡大小的影响，将设置在泵前端的吸气阀的开口部大小变更为0.99mm2、1.98mm2、2.97mm2(开口比分别为1∶8、2∶8、3∶8)，然后测定气泡大小。通过调节泵的每分钟转数，而使混合室内的压力保持在4个大气压。
图10及图11所示的是根据吸入阀开口部大小的气泡大小分布及累积分布，尤其是在4个大气压下根据吸气阀开口部大小的气泡大小分布。0.99mm2(开口比为1∶8)的开口部大小引起小气泡(10-40μm)的发生，但2.97mm2(开口比为3∶8)的开口部大小引起相对较大的气泡(50-100μm)发生。为增加空气体积，将阀开得越大，气泡大小越大，而发生的气泡数量越少。而且，当阀的开口部大小大于3.96mm2(开口比为4∶8)时，混合室内部不会产生任何压力。这是因为空气的过吸入使泵内部流体的平均密度下降，导致效率的急速下降，从而减少吸入空气的能力。当开口部大小小于0.99mm2(开口比为1∶8)时，气泡大小的发生保持一定数值。对于本发明的气泡发生器，吸入的空气体积是微气泡发生的重要操作因素。因此，为发生小范围大小的微气泡，适当操作吸气阀尤为重要。
3)混合室的内部结构和水力特性的影响
表2所示的是在固定压力(5个大气压)下，DAF和混合室的内部结构在变化前(BG1)和后(BG2)的平均气泡大小和气泡大小分布的峰值点。图12所示的是与过饱和型DAF比较的根据本发明气泡发生器(BG1，BG2)获得的气泡大小分布。图10及图11所示的是变更本发明气泡发生器的混合室内部结构后的气泡发生的结果。当BG 2时，在固定压力(5个大气压)下随着变更内部结构，获得了比由DAF发生的气泡更小的平均气泡大小和峰值点。即，通过变更混合室内部结构实现了比限制大小(29μm)更小的气泡发生。因此能够发生比DAF更多数量的小的微气泡。
表2本发明气泡发生器与过饱和型(DAF)的平均气泡大小
 压力(5atm)   DAF   BG1   BG2
 平均气泡大小(μm)   29   34   22
 气泡大小分布的峰值点(μm)   25   15   15
在DAF法的气泡发生中，使循环水过饱和之后在大气压中的压力迅速下降导致微气泡的发生。De Rijk等人(1994)根据以下的柏努利(Bernoulli)方程解释了这一现象(参照图13的混合室内部结构以及图14的从喷嘴的一端流向另一端时产生的压力损失)。
P0+1/2ρv2 0＝Pk+1/2ρv2 k(柏努利方程)
由于vk＞＞v0
所以Pk＝P0-1/2ρv2 k
在此，P0和v0分别为变窄之前的压力和速率，Pk和vk分别为变窄处的压力和速率。
当加压水流过喷嘴时，流速(vk)很高，但压力(Pk)很低。孔口后部发生高湍流混合区域。该区域的湍流引起强烈的压力波动(变动)，由于射流的压力较低(vk很高)，产生负压力区域。在这些条件下，当压力发生急剧下降时，发生气泡(参照：气泡的发生原理)。
之所以在变更混合室内部大小之后平均气泡大小发生变化以及能生成比DAF更多更小的微气泡，就是因为这种急剧的压力下降。
从BG 2的内部结构中可以看到，其内部具有较窄间隔的板组件，该板上形成如同孔口的孔。加压水从进入到混合室内开始到从混合室排出，快速流过孔口板，加压水离喷嘴越近，其具有的通过流速越快。这意味着压力在各板上下降。短时间内压力的快速下降，引起比由DAF发生的极限μm大小的气泡更小的气泡发生，从而发生更多数量的微气泡。在某一压力下发生多快的压力下降是发生比极限大小(参照：29μm)更小的气泡的重要因素。
4)气泡大小和粒子去除效率之间的关系
包括Edzwald的单连接器模型、Tambo的异质凝结以及Han的轨道分析的模型化研究的目的在于确定接触区域中气泡和粒子之间的关系。
在Han的模型中，大于1μm的粒子随着粒子大小的增加，具有增加的碰撞效率，并且当气泡大小和粒子大小相同时具有最高效率。当粒子大小大于气泡大小时效率稍微减少。但是，当粒子密度与实际絮凝物(1.2g/cm3)相同时，如图15所示，效率没有任何下降。如果是更低的絮凝物密度(1.01g/cm3)，碰撞效率也没有减少(参照图15的轨道分析-碰撞效率(气泡大小为35μm))。
图16所示的是在5个大气压下絮凝物大小与残留浑浊度之间的关系。效率渐渐上升直到一定点。在这一点上，即使絮凝物大小增加，在循环比为4％与10％时，效率保持无变化状态。无任何变化的点是约30μm，该点类似于在5个大气压下29μm的气泡大小。类似的倾向在以下条件下表现明显。在循环比为4％与10％时，气压为2、3、4个大气压，这意味着图16所示的结果与Han的模型一致。
因此，本发明的气泡发生器可将平均气泡大小调节至20μm，参照上述模型可处理更小的粒子，而且经过批实验得出，本发明的气泡发生器具有在絮凝物生成方法中无需增加其大小的优点。
在DAF法中，气泡大小被认为是相当重要的参数。为使气泡大小更小，倾注了很多努力，但尚未生成平均大小小于30μm的气泡。本发明为达到目标气泡大小，开发了以十分简单的系统构成的新气泡发生器。而且通过变更操作条件和混合室的内部结构，可选择性生成所需大小的气泡。
如上所述的本发明微气泡发生装置在处理更轻的粒子上，比现有沉淀方法具有优点。
除了应用于食用水及废水处理以外，本发明也可适用于多种领域。例如，预处理费用很高或无法实现的问题领域，如湖水或海上藻类的去除，或者禁止添加药剂的医药方法中可采用本发明的方法。
另外，本发明也可利用于浴池水中发生气泡而使用的泡沫浴，这是在浴池的底部用发动机发生小气泡并利用该小气泡可达到与按摩相同效果的沐浴方法，当气泡发生时生成的超音波对皮肤给予压缩和弛缓的刺激从而得到温热效果。尤其是当气泡的直径为1mm以下时称作超音波浴，这对肌肉痛、皮肤美容、外伤后遗症等具有治疗效果。此外，气泡附着于在水面散射的空气中的阳离子，水表面附近负空气离子增多，这时负空气离子具有镇定效果，对稳定心情和消除压力具有效果。
本发明的微气泡发生装置通过高速开闭的电子阀如同脉冲波间断吸入混合在浴池水的外部气体，从而使散射在浴池的外部气体混合物中的气泡超微细化。浴池水也因超微细气泡变为碱性，并可发生超音波和负离子使浴池水如牛奶一样柔和。
而且，根据超微细气泡的毛孔渗透力和浮力，可去除堆积在入浴者毛孔深处的脂肪和杂质，同时向皮肤深处供应氧气，从而实现清洗皮肤、去除角质、皮肤保湿、美白、增进皮肤弹力等皮肤美容效果，也可得到改善过敏或痤疮、脚癣、湿疹等皮肤疾患的效果，对疲劳恢复、消除宿醉、体温升高、改善血液循环、解消失眠症也有效果。
不仅如此，本发明脱离了利用电磨擦的人为方式，具有以超微细气泡的自然方式发生负离子而促进入浴者新陈代谢的效果。
另外，因对发生微气泡的结构及部件等装置实现了整体的小型化及简单化，因此易于设置、移动及使用装置等操作和管理。
综上所述，本发明的微气泡发生装置以泵和加压罐为主要结构，以简单的结构和低廉的费用，混合空气与水生成平均大小为20-100μm的气泡。
本发明的优点具体如下。
(1)本发明的微气泡发生装置具备比现有DAF气泡发生系统更简单的结构。泵同时起到循环泵、压缩机与加压罐的作用。而且以简单的操作就可调节混合室内的压力和吸入到泵内的气泡的体积。
(2)使用本发明的微气泡发生装置，可根据混合室内的压力和吸入的空气体积获得小于34μm的平均气泡大小。吸入空气的体积和压力的变化决定气泡大小，根据本发明，在混合室内部结构使空气和水得到充分混合，并使加压水迅速移动，就可获得很小的气泡，例如22μm的气泡大小或者比它还小的气泡大小。
(3)从实验结果和模型的结果可以看出，气泡大小表示被去除的粒子大小范围。即，气泡大小越小，能被去除的粒子范围越小。因此，本发明的微气泡发生装置可发生20-100μm以下的所需大小的微气泡，可帮助改善DAF法的效率。
在实施例中，将空气或氧气(或臭氧)混合到水中发生微气泡，但不限于此，包括空气或氧气(或臭氧)的可溶解于液体的所有气体都可适用于本发明的原理。关于液体，只要是可溶解所述气体的液体，根据用途适合于该用途的任何液体均可以，包括水。如上所述，在不脱离本发明思想的同时，符合使用用途的任何气体和流体的混合物也属于本发明的权利范畴。

Claims (19)

1.一种通过对气体的量和混合室的压力进行调节而发生微气泡的微气泡发生装置，其特征在于，它包括泵和混合室，其中，所述泵吸入气体和液体进行混合；所述混合室收容从所述泵压送的所述气体和所述液体进行再次混合。
2.根据权利要求1所述的微气泡发生装置，其特征在于，还包括喷出在所述混合室被再次混合的所述气体和所述液体的混合物的喷嘴。
3.根据权利要求2所述的微气泡发生装置，其特征在于，所述喷嘴是可开闭的多孔型喷嘴。
4.根据权利要求1所述的微气泡发生装置，其特征在于，在所述混合室中，板排列成至少一个以上的层，所述板上形成用于使所述气体和所述液体的混合物流过的多个孔。
5.根据权利要求1所述的微气泡发生装置，其特征在于，所述混合室具有由上端密封的外部室和与所述外部室的壁隔离并且上端开放的内部室构成的双重室结构，与所述混合室的入口处相连接的流入管延伸至所述内部室的底部，与出口处相连接的流出管通过所述内部室和所述外部室之间的隔离空间延伸至所述外部室的底部附近。
6.根据权利要求1所述的微气泡发生装置，其特征在于，所述泵的前方还设有吸气阀，从而调节流入泵的气体的量。
7.根据权利要求1所述的微气泡发生装置，其特征在于，所述泵的出口处通过第一水管与混合室的入口处连接，所述泵的入口处和混合室的出口处分别延伸有置于蓄水槽内的第二水管和第三水管，所述第一水管和第三水管分别与所述混合室的流入口和流出口连接，所述第二水管上设有用于吸入大气中气体的吸气管，所述吸气管上设有三通阀，所述三通阀的一侧与贯通大气的第一支管连接，所述三通阀的另一侧通过第二支管与氧气发生器或臭氧发生器连接，所述第一支管和第二支管根据所述三通阀的开闭方向与所述吸气管进行选择性连通。
8.根据权利要求7所述的微气泡发生装置，其特征在于，为调节从蓄水槽流入的水的供给，在所述第二水管的入水口和所述泵之间设有流量调节阀和止回阀。
9.根据权利要求8所述的微气泡发生装置，其特征在于，所述吸气管在所述流量调节阀和所述止回阀之间与所述第二水管连接。
10.根据权利要求1所述的微气泡发生装置，其特征在于，所述气体为空气、氧气或臭氧。
11.根据权利要求1所述的微气泡发生装置，其特征在于，所述液体为水。
12.一种通过对气体的量和混合室的压力进行调节而发生微气泡的微气泡发生方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将气体和液体分别吸入到泵内的步骤；通过所述泵时所述气体和液体被打碎，进行混合的步骤；经所述泵将被所述泵混合的所述气体和所述液体压送流入混合室的步骤；所述气体和所述液体进行再次混合，所述混合室的内部形成预定内压的步骤；从所述混合室向外喷出得到的经再次混合的所述气体和所述液体的混合物的步骤。
13.根据权利要求12所述的微气泡发生方法，其特征在于，所述气体和所述液体的混合物通过位于所述混合室一侧的喷嘴喷出。
14.根据权利要求13所述的微气泡发生方法，其特征在于，所述喷嘴是可开闭的多孔型喷嘴。
15.根据权利要求12所述的微气泡发生方法，其特征在于，在所述混合室中，板排列成至少一个以上的层，所述板上形成用于使所述气体和所述液体的混合物流过的多个孔。
16.根据权利要求12所述的微气泡发生方法，其特征在于，所述混合室具有由上端密封的外部室和与所述外部室的壁隔离并且上端开放的内部室构成的双重室结构，与所述混合室的入口处相连接的流入管延伸至所述内部室的底部，与出口处相连接的流出管通过所述内部室和所述外部室之间的隔离空间延伸至所述外部室的底部附近。
17.根据权利要求12所述的微气泡发生方法，其特征在于，所述泵的前方还设有吸气阀，从而调节流入所述泵的气体的量。
18.根据权利要求12所述的微气泡发生方法，其特征在于，所述气体为空气、氧气或臭氧。
19.根据权利要求12所述的微气泡发生方法，其特征在于，所述液体为水。
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