CN105366794B - 基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，特征是：包括Y型过滤器、粗过滤器、轴向中心加气装置、静态螺旋切割装置、紫外线杀菌装置、精过滤器和活性炭吸附及超滤设备。所述静态螺旋切割装置包括切割管，切割管中心设置芯轴，芯轴端部设置导水锥，在芯轴上依次叠加切割片形成螺旋形，切割片上具有叶片，螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口。所述轴向中心加气装置包括加气头，在加气头上安装管座，管座中设置导气管，导气管连接气管；在所述导气管的内端安装节流座，节流座上设置加气孔，加气孔的轴线与加气头、切割管的轴线同轴。本发明实现气体和水的微纳米量级的切割细化和混合，消耗能量极少，获得低成本、大产量超饱和高氧水。
Description
技术领域
本发明涉及一种高氧水制备系统，尤其是一种基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统。
背景技术
普通自来水含氧量为8毫克/升，高氧水每1升水中氧含量大于20毫克。高氧水在康体健身方面可以用于高氧水疗、去除老化角质、美白皮肤；在医学领域，对于高原缺氧环境下，饮用高氧水可以明显改善身体由于缺氧所引起的不良反应。尤其对于无法自主呼吸危重病人，进行静脉注射富氧药液进行输氧抢救具有重要的意义，对维护人类健康具有重要作用，富氧水具有无比广阔的市场前景。在环保工业领域，高氧水技术可以用于水环境改善修复及污水治理等；高氧水技术可以与废水生物处理工艺流程中的絮凝沉淀池、厌氧生物处理池、溶氧好氧一体化综合处理池相结合，形成一种高效的、节能减排的新型废水生物处理工艺及方法。在养殖业方面可以用于高效增氧、提高养殖效益；在农业方面可以用于改良土壤、消毒、杀菌；在工业污染处理时，可以用于除臭、及二恶英等化学物的分解处理。
微纳米氧气泡具有与一般气泡不同的理化特性，如：高内压、高表面能、高界面活性等。纳米氧气泡的表面积能有效增大，如1mm的大气泡分散成100nm微气泡，表面积增大10000倍，气泡的表面能也从0.1卡增大到5-10卡，表面能的增大及气泡内能量增大可以加强表面氧化反应，可以提高氧的利用率。根据杨-拉普拉斯法则，气泡表面张力与气泡直径大小成反比，与气泡内压成正比。表面张力增大，气泡不断收缩，同时内压也随之增大，即所谓出现自我加压现象。一旦收缩的气泡内压与表面张力失去平衡，纳米气泡最后大约在4000个大气压的压力下破裂，气泡破裂后活性氧分子的自由热运动增强，可以随时加入到水分子共价键中形成溶解氧，气体即完全溶解于水液中。这样就实现了超饱和溶氧。在水中通入微纳米氧气泡，可有效分离水中固体杂质、快速提高水体氧浓度、杀灭水中有害病菌、降低固液界面摩擦系数，从而在气浮净水、水体增氧、臭氧水消毒和微纳米气泡减阻等领域比宏观气泡有更高的效率，应用前景也更为广阔。
目前市场上已经有了一些气、液态材料微纳米化的相关设备，但基本都采用能量消耗巨大的动力旋转切割机械实现。目前国内外生成高氧水的技术主要有电解、微孔膜和超高压磁化等技术。电解法制造成本高，能耗大，只适用于小规模生产。超高压磁化法的原理是水经过磁场处理后，改变水分子的径向分布函数和分子内能从而破坏氢键。最终改变水分子的团簇结构。实验表明，通磁处理能使水的吸光度、渗透压明显升高，水分子团簇断裂成了较小的分子团簇甚至是单个水分子。小分子水渗透性和溶解性都显著增大，然后将氧气经高压压水中，增加水中溶氧浓度。这种方法工艺成本高，富氧率低，高氧水中的氧不稳定，不适合大规模工业生产。微孔膜法是采用聚四氟乙烯等微孔膜毛细管吸收式增氧，通过弥散的原理将氧气均匀溶入水中。纯净水在膜内通过，在膜外施加氧气。微孔膜法具有无气泡，无挥发，氧的利用率高、溶解氧具有良好的稳定性的优势。但该技术工艺复杂，设备昂贵，制造成本高。微孔膜维护困难，容易堵塞，使用寿命短。同样不适合大规模工业生产。
目前还没有一种低成本、高产能，可以大规模工业化生产高氧水(超饱和溶氧40mg/L以上)的成熟技术。因此研究出一种低成本、易维护、低能耗、可大规模工业化的高氧水技术无论对于国民经济发展还是对于社会进步都具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，几乎在常温常压下实现气体和水的微纳米量级的切割细化和混合，产生微纳米气泡进行水体增氧，消耗能量极少，设备成本低，可以获得低成本、大产量的超饱和高氧水。
按照本发明提供的技术方案，一种基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，特征是：包括依次连接的Y型过滤器、粗过滤器、轴向中心加气装置、静态螺旋切割装置、紫外线杀菌装置、精过滤器和活性炭吸附及超滤设备。
进一步的，所述静态螺旋切割装置的进口端还连接有静态混合器，静态混合器连接轴向中心加气装置。
进一步的，所述Y型过滤器的进水端通过水泵连接进水管道，活性炭吸附及超滤设备的出水端连接储水罐，储水罐的出水端连接自动灌装机。
进一步的，所述静态螺旋切割装置为1个或多个。
进一步的，所述静态螺旋切割装置包括切割管，切割管中心设置芯轴，芯轴的进水端设置导水锥，在芯轴上设置若干片依次叠加的切割片，切割片上具有一个或多个叶片，切割片沿芯轴长度方向依次叠加形成由芯片长度方向布置的一条或多条螺旋形，并且相邻两个切割片的叶片错开一定距离，在螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口；所述螺旋形采用变螺距。
进一步的，所述切割片叠加形成的螺旋形由进水端向出水端方向螺距逐渐减小。
进一步的，所述切割片的厚度为0.08－5mm。
进一步的，所述轴向中心加气装置包括安装在切割管进水端的加气头，在加气头上安装管座，管座中设置导气管，导气管的外端通过气体连接管连接气管的一端，气管的另一端连接分气头，分气头与气体降温器连接，气体降温器的进气端连接氧气罐；在所述导气管的内端安装节流座，节流座中设置节流阀芯，节流座上设置加气孔，加气孔的轴线与加气头、切割管的轴线同轴。
进一步的，所述加气孔的轴线与加气头、切割管的轴线同轴度小于0.1mm。
进一步的，所述切割片的中心孔与芯轴间隙配合。
本发明具有以下优点：
(1)本发明通过无旋转动力机构的静态螺旋切割装置将氧气大分子团切割为纳米量级的小分子团物质，几乎在常温常压下将其溶于纯净水中，溶解氧含量高、稳定性好；静态螺旋切割装置无动力旋转机构，设备成本低，易维护，可实现大规模工业生产和应用。
(2)本发明所述静态螺旋切割装置可实现气液体微纳米化切割细化，气液体在切割腔XYZ三个方向均受到剪切力；流场边界为切割叶片螺旋形成的阶梯状切割刃，在一定的流动场和离心力的作用下，气水受到阶梯状切割刃的切割力，理论上可实现无限小尺度的切割。
(3)本发明把氧气通过静态离散化的螺旋切割装置，快速、高效地切割细化为微纳米量级的小气泡，大大提高氧气的溶解效率，水中溶氧量可达40-50mg/L，氧的利用率可达95％以上，溶氧稳定性好，60天氧气浓度衰减率为50％。
(4)本发明所述的高氧水制备系统制备高氧水的工艺简单，成本远低于其他高氧水制备技术；螺旋切割器无动力旋转机构，设备成本低，只有动力旋转切割机械的1/10，微孔膜技术的1/5。设备易维护，产能高，可实现大规模工业生产和应用。
(5)本发明所述加气装置采用特殊设计的加气头、出气口，根据层流流体绕流圆柱体的流体力学理论分析可知，加气孔附近区域水的流速接近于0，氧气可以顺利散逸到水中，实现螺旋切割器四个切割腔均匀加气，这种加气法效率高，切割细化均匀。
附图说明
图1为本发明所述高氧水制备系统的示意图。
图2为所述轴向中心加气装置和静态螺旋切割装置的结构示意图。
图3为所述静态螺旋切割装置的结构示意图。
图4为所述切割片的示意图。
图中标号：过滤器1、粗过滤器2、轴向中心加气装置3、静态混合器4、静态螺旋切割装置5、紫外线杀菌装置6、精过滤器7、活性炭吸附及超滤设备8、储水罐9、自动灌装机10、水泵11、法兰5-1、切割管5-2、芯轴5-3、导水锥5-4、切割片5-5、压块5-6、锁紧螺母5-7、叶片5-8、加气头3-1、管座3-2、导气管3-3、密封圈3-4、密封块3-5、气体连接管3-6、气管3-7、分气头3-8、气体降温器3-9、氧气罐3-10、节流座3-11、节流阀芯3-12、加气孔3-13。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
如图1所示：本发明所述基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统包括依次连接的Y型过滤器1、粗过滤器2、轴向中心加气装置3、静态混合器4、静态螺旋切割装置5、紫外线杀菌装置6、精过滤器7和活性炭吸附及超滤设备8，Y型过滤器1的进水端通过水泵11连接进水管道，活性炭吸附及超滤设备8的出水端连接储水罐9，储水罐9的出水端连接自动灌装机10。
所述水泵11可以采用电动隔膜泵或者不锈钢自吸泵。
所述粗过滤器2采用5微米的PP滤芯，精过滤器7采用0.2微米的PP滤芯。
所述紫外线杀菌装置6采用现有市售的紫外线杀菌设备，一般处理量为0.5～2m3/h。
所述静态混合器4安装于轴向中心加气装置3和静态螺旋切割装5之间，采用现有市售产品，一般处理量为0.5～2.2m3/h。
所述活性炭吸附及超滤设备8采用KDF滤芯和0.02微米毛细管式超滤膜。
所述静态螺旋切割装置5可以安装1个或多个，如图3所示，所述静态螺旋切割装置5的进口端通过法兰5-1连接静态混合器4(图3中省略了静态混合器4)，静态混合器4连接轴向中心加气装置3；所述静态螺旋切割装置5包括切割管5-2，切割管5-2中心设置芯轴5-3，芯轴5-3的进水端设置导水锥5-4，导水锥5-4的作用是为了使气液混合流均，经扩散之后可以较缓慢、均匀地通过切割管5-2；在所述芯轴5-3上设置若干片依次叠加的切割片5-5，切割片5-5的中心孔与芯轴5-3间隙配合，切割片5-5由压块5-6和锁紧螺母5-7固定在芯轴5-3上；所述切割片5-5上具有一个或多个叶片5-8(图4中为4个叶片5-8)，切割片5-5沿芯轴5-3长度方向依次叠加形成由芯片5-3长度方向布置的一条或多条螺旋形，并且相邻两个切割片5-5的叶片5-8错开一定距离，在螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口。所述螺旋形采用变螺距，进水端的螺距大于出水端的螺距，螺距由进水端向出水端逐渐减小。所述切割片5-5的厚度为0.08mm。
如图2所示，所述轴向中心加气装置3包括安装在切割管5-2进水端的加气头3-1，一般在加气头3-1和切割管5-2还安装有静态混合器4(图中未示出)；在所述加气头3-1上安装管座3-2，管座3-2中设置导气管3-3，导气管3-3与管座3-2之间设置密封圈3-4和密封块3-5，密封块3-5通过螺母和螺钉紧固；所述导气管3-3的外端通过气体连接管3-6连接气管3-7的一端，气管3-7的另一端连接分气头3-8，分气头3-8与气体降温器3-9连接，气体降温器3-9的进气端连接氧气罐3-10。在所述导气管3-3的内端安装节流座3-11，节流座3-11中设置节流阀芯3-12，节流座3-11上设置加气孔3-13，加气孔3-13与加气头3-1、切割管5-2的轴线同轴，同轴度小于0.1mm，可保证气体顺利散逸到水中。
本发明的工作原理：本发明所述的高氧水制备系统，采用微纳米切割细化技术，气液两相通过静态螺旋切割器将气液两相流切割细化，将氧气大分子团切割成纳米量级的小分子团物质，通过较小的压力(≥0.1MPa)和一定的流动场(流速≥0.5m/s)作用将其溶于水中，几乎在常温常压下实现超饱和溶氧，含氧量达到40-50mg/L，氧的利用率可达到95％以上。其制备的高氧水含氧量高，含氧稳定，半衰期达60天。制备成本低，设备简易，维护方便，可实现大规模工业化生产。设备成本只有动力旋转切割机械的1/10，富氧膜技术的1/5。填补了国内空白。
所述静态螺旋切割装置5由几千片切割片按照变螺距叠加旋转而形成离散化的阶梯状螺旋曲面。利用水的自身的压力(P≥0.1MPa)和流速(V≥0.5m/s)，水携带氧气流过切割腔，由于切割腔内特殊的变螺距螺旋结构，形成流体内部x、y、z三维速度梯度的存在，因此流体内部在x、y、z三个方向上均受到剪切力；而且流体在边界面上与离散化的、厚度仅为0.08mm的切割片累叠而成的阶梯状螺旋切割刃口表面接触，假设流体不动，相当于无限多刀片的刀刃在切割流体，两个作用的合力将气液体割成微纳米量级的小分子团物质，纳米量级的氧气泡自身不断加压膨胀，最后爆裂溶于水中，形成了超饱和溶氧的高氧水。
所述轴向中心加气装置3的出气口与加气头、切割器的轴心线同轴度小于0.1mm，根据层流流体绕流圆柱体的流体力学理论分析可知，出气口附近区域水的流速接近于0，氧气可以顺利散逸到水中，实现切割器切割腔均匀加气，这种加气法效率高，切割细化均匀。加气孔附近区域由于流体的作用，会形成负压效应，气压略小于水压条件下，也可以顺利实现加气，降低了设备能耗。试验测定溶氧率为40-50mg/L，满足设计要求。
本发明所述静态螺旋切割装置，几乎在常温常压下可以实现气液体微纳米化切割细化和超饱和溶氧。与毛细管吸收式增氧技术相比，结构大为简化，同样产能条件下，设备成本只有毛细管吸收式增氧技术的1/5。维护方便，但达到的技术指标基本相同，水中溶氧量可达40－50mg/l，氧的利用率可达95％，效率远高于国外产品，溶解氧具有良好的稳定性，60天溶氧浓度衰减率为50％。高氧水敞口放置24小时，含氧量仍达20mg/l以上。毛细管吸收式增氧技术由于其结构限制，其产能为0.5-30吨/小时，而且微孔膜易堵塞，寿命短，因此高氧水的生产成本高。本发明所述的高氧水制备系统，由于氧气纳米气泡产生的机理不同，设备产能只受车间场地限制，DN150螺旋切割器的高氧水产能为100吨/小时，多个并联，理论上产能可以无限大，可实现大规模工业化生产。
将本发明所述高氧水制备系统制得的高氧水与普通蒸馏水及持续通入氧气的蒸馏水进行对比，结果如表1所示。
表1
。
Claims (6)
1.一种基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，其特征是：包括依次连接的Y型过滤器（1）、粗过滤器（2）、轴向中心加气装置（3）、静态螺旋切割装置（5）、紫外线杀菌装置（6）、精过滤器（7）和活性炭吸附及超滤设备（8）；
所述静态螺旋切割装置（5）的进口端还连接有静态混合器（4），静态混合器（4）连接轴向中心加气装置（3）；
所述Y型过滤器（1）的进水端通过水泵（11）连接进水管道，活性炭吸附及超滤设备（8）的出水端连接储水罐（9），储水罐（9）的出水端连接自动灌装机（10）；
所述轴向中心加气装置（3）包括安装在切割管（5-2）进水端的加气头（3-1），在加气头（3-1）上安装管座（3-2），管座（3-2）中设置导气管（3-3），导气管（3-3）的外端通过气体连接管（3-6）连接气管（3-7）的一端，气管（3-7）的另一端连接分气头（3-8），分气头（3-8）与气体降温器（3-9）连接，气体降温器（3-9）的进气端连接氧气罐（3-10）；在所述导气管（3-3）的内端安装节流座（3-11），节流座（3-11）中设置节流阀芯（3-12），节流座（3-11）上设置加气孔（3-13），加气孔（3-13）的轴线与加气头（3-1）、切割管（5-2）的轴线同轴；
所述加气孔（3-13）的轴线与加气头（3-1）、切割管（5-2）的轴线同轴度小于0.1mm。
2.如权利要求1所述的基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，其特征是：所述静态螺旋切割装置（5）为1个或多个。
3.如权利要求1所述的基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，其特征是：所述静态螺旋切割装置（5）包括切割管（5-2），切割管（5-2）中心设置芯轴（5-3），芯轴（5-3）的进水端设置导水锥（5-4），在芯轴（5-3）上设置若干片依次叠加的切割片（5-5），切割片（5-5）上具有一个或多个叶片（5-8），切割片（5-5）沿芯轴（5-3）长度方向依次叠加形成由芯轴（5-3）长度方向布置的一条或多条螺旋形，并且相邻两个切割片（5-5）的叶片（5-8）错开一定距离，在螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口；所述螺旋形采用变螺距。
4.如权利要求3所述的基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，其特征是：所述切割片（5-5）叠加形成的螺旋形由进水端向出水端方向螺距逐渐减小。
5.如权利要求3所述的基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，其特征是：所述切割片（5-5）的厚度为0.08－5mm。
6.如权利要求3所述的基于气液体微纳米切割细化的高氧水制备系统，其特征是：所述切割片（5-5）的中心孔与芯轴（5-3）间隙配合。
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