CN107413219A - 在流体中产生氧化气泡的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在流体中产生氧化气泡的系统，包括流体进口管；文丘里管，将具有氧化特性的媒介输送到流体中的具有微孔或微隙的组件；腔室，其围绕所述微孔或微隙，可以形成旋流以增加具有氧化特性的试剂和流体之间的接触时间并可在流体中生成氧化气泡；流体出口管，用于排出流体中的氧化气泡。该系统能够产生气泡直径小于500nm的氧化气泡。

Description

在流体中产生氧化气泡的系统和方法

本申请根据《巴黎公约》要求于2016年3月16日提交的美国临时申请第62/390,017号的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明一般涉及在流体中产生氧化气泡的方法。具体地，本发明涉及在流体中产生在消毒和水处理中具有潜在应用的氧化气泡的方法。

背景技术

以下是在说明书中间或引用的参考文献列表。这些参考文献的每个公开内容均通过引用整体并入本文。

[1]J.H.Park等人，编号为7,874,546B2的美国专利。

[2]W.K.Kerfoot等人，编号为8,678,354B2的美国专利。

[3]S.R.Ryu，编号为8,794,604B2的美国专利。

[4]P.Li、M.Takahashi、K.Chiba、《臭氧层》(Chemosphere)，2009年，第75期，第1371-1375页。

[5]F.Y.Ushikubo、T.Furukawa、R.Nakagawa、M.Enari、Y.Makino、Y.Kawagoe、T.Shiina、S.Oshita，“水中纳米气泡的存在性和稳定性证明”(Evidence of theExistence and the Stability of Nano-bubbles in Water)，《胶体和表面A辑：物理化学和工程方面》(Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects)，2010年，第361期，第31-37页。

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[9]H.Tsuge，《微气泡和纳米气泡的基本原理和应用》(Micro-and Nanobubbles,Fundamental and Applications)，Pan Stanford出版公司，CRC出版社，Taylor&Francis出版集团，LCC，2015年。

[10]M.Takahashi，“微气泡在水溶液中的界达电位：气水界面的电气特性”(ZetaPotential of Microbubbles in Aqueous Solutions：Electrical Properties of theGas-Water Interface)，《物理化学杂志》(Journal of Physical Chemistry)，B辑，2005年，第109期，第21858-21864页。

[11]S.Khuntia、S.K.Majumder、P.Ghosh，“微气泡辅助的水净化和废水净化：评论”(Microbubble-aided Water and Wastewater Purification：A Review)，《化学工程评论》(Reviews in Chemical Engineering)，2012年，第28(4-6)期，第191-221页。

[12]P.Arumugam，“浅谈用于水处理和净化应用的动态微气泡发生器的基本原理”》(Understanding the Fundamental Mechanisms of a Dynamic Micro-bubbleGenerator for Water Processing and Cleaning Applications)，《应用科学硕士论文》(Thesis of Master of Applied Science)，2015年，多伦多大学机械工业工程系。

水是一种必需资源，而淡水供应却是有限的。人口的增长增加了对淡水的需求，也导致排放到环境中的废物量升高，对清洁水源造成更多污染。根据世界卫生组织(WHO)统计，2012年，有7.48亿人无法获得改善的饮用水，有25亿人无法享用改进的水类卫生设施。据估计，每年因饮用水污染引起的腹泻的死亡人数达502,000例。因此，开发出有效且经济的水处理技术是非常必要的。

在过去十年中，对微气泡和纳米气泡的研究和应用研究不断增加([4]；[5]；[6]；[7]；[8]和[9])。一般而言，直径尺寸小于1mm的气泡被称为微气泡。目前，对于各种类型的气泡，在尺寸方面还没有一种普遍接受的分类。M.Takahashi将微气泡定义为直径小于50微米，并且倾向于在水下减小尺寸并随后破裂的气泡。([10])。

S.Khuntia([11])和P.Arumugam([12])介绍了产生微气泡的四种基本技术，即螺旋液流型、文丘里管型、喷射器型和加压-减压型。[1]公开了一种集成的纳米气泡发生装置，其包括三向电子阀，与构成系统一部分的组件集成的压力箱，以及可选择性地适配以扩大系统的使用范围的动力部分。[2]公开了一种发生装置，其包括壳体，一对进料口，一对微孔套筒膜，所述微孔套筒膜相对于壳体纵向设置，以产生包含小于10微米气泡的流体流。其中建议使用压力箱和过滤器来控制气泡的尺寸。然而，使用压力箱产生纳米气泡，可能在一些应用中导致成本升高或庞大系统设计。[3]公开了一种使用竹制过滤器且无需使用任何外部机械力而产生液体中纳米气泡的方法。然而，竹子是一种没有抗氧化性的天然材料。当使用强氧化性气体诸如臭氧来产生纳米气泡时，臭氧气体将会氧化损坏生成气泡的竹制过滤器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于在流体中产生氧化气泡的系统，其包括：流体进口管；文丘里管；具有小于约50微米的微孔或微隙的组件，其用于将具有氧化特性的媒介输送到流体中，其中，该组件可以是附接到一个或多个管的端部的膜件或容器，在该一个或多个管中，媒介通过其被注入到组件；围绕组件的腔室，在腔室的壁和组件之间具有小于或等于大约0.5mm的间隙，其中，腔室被配置成形成旋流以增加具有氧化特性的媒介与流体之间的接触时间，并在流体中产生氧化气泡；用于排出流体中氧化气泡的流体出口管。本发明的目的还在于提供一种能够产生最大直径小于约500nm的氧化气泡的系统和相关方法。

附图说明

为了使本发明更容易理解，结合附图，下面将队以示例的方式给出的本发明的实施例进行描述，其中：

图1示出了根据本发明实施例的在流体中产生氧化气泡的方法的示意图；

图2示出了根据本发明实施例的利用第二文丘里管在流体中产生氧化气泡的方法的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的第一实验(实验1)的气泡直径的分布；

图4示出了根据本发明实施例的第二实验(实验2)的气泡直径的分布；

图5示出了根据本发明实施例的第三实验(实验3)的气泡直径的分布；以及

图6示出了当臭氧和含0.45ppm亚甲基蓝的水开始流动时在不同时间收集的水样的吸收光谱。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了作为优选示例的产生氧化气泡的系统和方法。对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以进行多种修改，包括添加和/或替换。可以省略具体细节，以免模糊本发明；然而，本公开内容的撰写是为了使本领域技术人员能够实施本文的教导而无需过多的实验。

根据本发明的各种实施例，提供了一种用于在流体中产生氧化气泡的系统，其包括：流体进口管；第一文丘里管；具有小于约50微米的微孔或微隙的组件，其用于将具有氧化特性的媒介输送到流体中，其中，该组件可以是附接到一个或多个管的端部的膜件或容器，在该一个或多个管中，媒介通过其被注入到组件；围绕组件的腔室，在腔室的壁和组件之间具有小于或等于大约0.5mm的间隙，其中，腔室形成旋流以增加具有氧化特性的媒介与流体之间的接触时间，并在流体中产生氧化气泡；用于排出流体中氧化气泡的流体出口管。可选地，包括用于改变所产生的氧化气泡的气泡直径的第二文丘里管。

参照图1。根据一个实施例，流体通过流体进口管1被导入文丘里管2。从文丘里管2引入的流体与从具有微孔和/或微隙的组件3输送来的氧化剂混合，其中，该组件可以是附接到一个或多个管的端部的膜件或容器在该一个或多个管中，试剂通过其被注入到组件3。在腔室4中形成的流体中的氧化气泡被引入到用于排出流体中氧化气泡的流体出口管5，该腔室4被配置成在其中形成流体的旋流使流中央核心产生减压。流体的旋流是由流体进口管1在流体穿过途中的文丘里管2的喉部到达腔室4时，形成加速进口流体流所产生。流体进口管1、文丘里管2、具有微孔和/或微隙的组件3、腔室4和流体出口管5优选地由具有抗氧化性的材料制成。

在该实施例中，连接到文丘里管2的流体进口管1在流体穿过途中的文丘里管2的喉部到达腔室4时，形成加速进口流体流，以便将流体与从具有微孔和/或微隙的组件3输送来的具有氧化特性的媒介混合。具有氧化特性的媒介通过连接到组件3的一个或多个管3a注入组件3中。在腔室4内形成的螺旋流体流产生减压中央核心，使得在组件3的孔或狭缝表面上的氧化气泡经受强的分离力。因此可以产生最大直径小于约500nm的氧化气泡。将具有氧化特性的媒介输送到腔室4中的组件3的微孔或微隙直径的优选孔径或缝径为小于50微米左右，更优选地，小于10微米左右。腔室4的壁和组件3之间的优选间隙小于或等于0.1mm至0.5mm左右。其用处是协助形成流体的旋流。

具有氧化特性的优选媒介包含至少一种氧化化合物，该氧化化合物包括但不限于空气、氧气和臭氧。优选流体可以选自水、蒸馏水、去离子水、超纯水、水溶液、海水、废水和油。并可以通过任何磁性泵或潜水泵将流体流输送到流体进口管1。由本发明的优选实施方案产生的氧化气泡的最大直径小于500nm左右，并且由更优选的实施例产生的可能小于450nm。

参照图2。根据另一个实施例，提供了一种用于在流体中产生氧化气泡的系统，其中利用第二文丘里管6改变所产生的氧化气泡的气泡直径。流体通过流体进口管1被导入文丘里管2。从文丘里管2引入的流体与从具有微孔和/或微隙的组件3输送来的氧化剂混合。具有氧化特性的媒介通过连接到组件3的一个或多个管3a被注入组件3中。在腔室4中形成的流体中氧化气泡在通过第二文丘里管6后，被导入流体出口管5中。第二文丘里管6优选由具有抗氧化性的材料制成。第二文丘里管6用于改变所产生的氧化气泡的气泡直径。

在本发明的各个实施例中使用的具有抗氧化性的材料包括，但不限于，黄铜、青铜、丁腈橡胶、丁腈橡胶(腈类)、铸铁、Chemraz(全聚橡胶)、铜、CPVC(氯化聚氯乙烯)、交联聚乙烯(PEX)、Durachlor-51、EPDM(三元乙丙橡胶)、EPR(乙丙橡胶)、乙烯-丙烯、纤维增强塑料(FRD)、Flexelene(柔韧聚乙烯)、氟硅氧烷、镀锌钢、玻璃、(哈氏合金)、HDPE(高密度聚乙烯)、(氯磺化聚乙烯橡胶)、Inconel(因科内尔铬镍铁合金)、Kalrez(全氟醚橡胶)、(聚三氟氯乙烯，PCTFE)、LDPE(低密度聚乙烯)、镁、Monel(蒙乃尔铜-镍合金)、天然橡胶、氯丁橡胶、尼龙、PEEK(聚醚醚酮)、聚丙烯酸酯、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯(玻璃填充)(GFPP)、聚硫化物、混炼型聚氨酯橡胶、PVC(聚氯乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯，)、Santoprene(山都平热塑性橡胶)、硅胶、不锈钢(304/316)、不锈钢(其他等级)、低碳钢、PTFE(聚四氟乙烯)、钛、Tygon(聚乙烯)、Vamac(乙烯基丙烯酸酯弹性体)、Viton(氟橡胶)和锌。

实验1

在该使用图1所示系统执行的第一实验中，产生氧化气泡并排入装有33L超纯水的丙烯酸箱中。通过流体进口管1和流体出口管5，超纯水以2L/min的流速从丙烯酸箱循环进入腔室4中。以0.0667L/min的流速，将压缩空气通过管3a注入到组件3中，以便输送到腔室4中的超纯水中。在大气压下，超纯水的温度约为25℃。当使压缩空气和超纯水流动30分钟时，通过MalvernTM NanoSightTM NS300仪器对气泡直径进行测量和通过OrionTM StarTMA216仪表对溶解氧的饱和度百分比进行测量。氧化气泡的平均直径为85.5nm，SD为5.6nm，D10为81.4nm，D50为85.6nm，D90为88.8nm，氧化气泡的浓度为每毫升2.37×106。该实验中溶解氧的饱和度百分比从40％增加到82％。图3示出了气泡直径的分布。

实验2

在该使用图1所示系统执行的第二实验中，产生氧化气泡并排入装有33L超纯水的丙烯酸箱中。通过流体进口管1和流体出口管5，超纯水以2L/min的流速从丙烯酸箱循环进入腔室4中。以0.01L/min的流速，将压缩空气通过管3a注入到组件3中，以便输送到腔室4中的超纯水中。在大气压下，超纯水的温度约为25℃。当使压缩空气和超纯水流动30分钟时，通过MalvernTM NanoSightTM NS300仪器对对气泡直径进行测量。氧化气泡的平均直径为187nm，SD为43.7nm，D10为112.6nm，D50为208.8nm，D90为219.7nm，氧化气泡的浓度为每毫升1.34×107。图4示出了气泡直径的分布。

实验3

在该使用图2所示系统执行的第三实验中，产生氧化气泡并排入装有4.5L超纯水的丙烯酸箱中。通过流体进口管1和流体出口管5，超纯水以1L/min的流速从丙烯酸箱循环进入腔室4中。以0.01L/min的流速，将压缩空气通过管3a注入到组件3中，以便输送到腔室4中的超纯水中。在大气压下，超纯水的温度约为25℃。当使压缩空气和超纯水流动30分钟时，通过MalvernTM NanoSightTM NS300仪器对对气泡直径进行测量。氧化气泡的平均直径为153.7nm，SD为5.5nm，D10为145.7nm，D50为152.9nm，D90为159.6nm，氧化气泡的浓度为每毫升4.11×106。图5示出了气泡直径的分布。

实验4

在该使用图1所示系统执行的第四实验中，产生氧化气泡并排入装有4.5L超纯水的丙烯酸箱中，以便研究本发明的在流体中产生的氧化气泡的氧化还原电位(ORP)。通过流体进口管1和流体出口管5，超纯水以1L/min的流速从丙烯酸箱循环进入腔室4中。以0.01L/min的流速，将臭氧通过管3a注入到组件3中，以便输送到腔室4中的超纯水。在大气压下，超纯水的温度约为25℃。当使臭氧和超纯水流动15分钟时，通过HannaTM仪器公司的HI98196仪表对流体中氧化气泡的ORP值进行测量。流体中氧化气泡的ORP值约为1000mV。

实验5

在该使用图1所示系统执行的第五实验中，产生氧化气泡并排入装有4.5L加有大肠杆菌(E.coli)的水的丙烯酸箱中，以便研究根据本发明的在流体中产生的氧化气泡的消毒作用。通过流体进口管1和流体出口管5，超纯水以1L/min的流速从丙烯酸箱循环进入腔室4中。以0.01L/min的流速，将臭氧通过管3a注入到组件3中，以便输送到腔室4中含大肠杆菌(E.coli)的水中。在大气压下，水的温度约为23℃。当使臭氧和含大肠杆菌的水流动5分钟时，对流体中氧化气泡的氧化还原电位(ORP)进行测量。在流体中通过HannaTM仪器公司的HI98196仪表测量的氧化气泡的ORP值为大约600mV。根据在使臭氧和含大肠杆菌的水流动5分钟之前和之后收集的水样在3MTM PetrifilmTM测试片(在35℃下培育24小时)上的大肠菌数，大肠杆菌数减少了大约99.9％。

实验6

在该使用图1所示系统执行的第六实验中，产生氧化气泡并排入装有4.5L的含0.45ppm亚甲基蓝的水的丙烯酸箱中，以便研究根据本发明的在流体中产生的氧化气泡对水处理性能。通过流体进口管1和流体出口管5，超纯水以1L/min的流速从丙烯酸箱循环进入腔室4中。以0.01L/min的流速，将臭氧通过管3a注入到组件3中，以便输送到腔室4中含0.45ppm亚甲基蓝的水中。在大气压下，含0.45ppm亚甲基蓝的水的温度约为23℃。通过分光光度计(LAMBDATM 750UV/VIS/NIR分光光度计)，在660nm的波长下对亚甲基蓝的浓度降低进行测量。在使臭氧和含0.45ppm亚甲基蓝的水流动15分钟后，丙烯酸箱内的亚甲基蓝的浓度降低至零。图6示出了当臭氧和含0.45ppm亚甲基蓝的水开始流动时，在不同时间收集的水样本的吸收光谱。在660nm处亚甲基蓝的吸收峰最大值在15分钟内降至零。

本发明的前述描述是用于说明和描述的目的，并非意味着穷举或者将本发明限定为所公开的确切形式。对于本领域技术人员而言，多种修改和变化将是显而易见的。

所选择和描述的实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域其他技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适于特定预期使用的各种修改。本发明的范围是由随附权利要求及其等同物限定的。

Claims (9)

1.一种用于在流体中产生氧化气泡的系统，包括：

流体进口管；

具有微孔或微隙的组件，其被配置成将具有氧化特性的媒介输送到所述流体中；

腔室，其被配置成形成的旋流以增加所述具有氧化特性的试剂与所述流体之间的接触时间并且在所述流体中生成气泡；

第一文丘里管，其连接在所述流体出口管和所述腔室之间中；以及

流体出口管，其连接到所述腔室并且被配置成排出所述流体中的氧化气泡；

其中，所述具有微孔或微缝的组件是附接到一个或多个管的端部的膜件或容器，在所述一个或多个管中，所述具有氧化特性的媒介通过其被注入到所述组件；以及

其中，所述组件与所述腔室壁间隔约0.5mm或更小的间隙。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述系统的特征还在于能够在流体中产生气泡直径小于约500nm的氧化气泡。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述流体出口管、所述第一文丘里管、所述具有微孔或微缝的组件、所述腔室和所述流体出口管由具有抗氧化特性的材料制成，所述材料选自由黄铜、青铜、丁腈橡胶、丁腈橡胶(腈类)、铸铁、Chemraz(全聚橡胶)、铜、CPVC(氯化聚氯乙烯)、交联聚乙烯(PEX)、Durachlor-51、EPDM(三元乙丙橡胶)、EPR(乙丙橡胶)、乙烯-丙烯、纤维增强塑料(FRD)、Flexelene(柔韧聚乙烯)、氟硅氧烷、镀锌钢、玻璃、(哈氏合金)、HDPE(高密度聚乙烯)、(氯磺化聚乙烯橡胶)、Inconel(因科内尔铬镍铁合金)、Kalrez(全氟醚橡胶)、(聚三氟氯乙烯，PCTFE)、LDPE(低密度聚乙烯)、镁、Monel(蒙乃尔铜-镍合金)、天然橡胶、氯丁橡胶、尼龙、PEEK(聚醚醚酮)、聚丙烯酸酯、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯(玻璃填充)(GFPP)、聚硫化物、混炼型聚氨酯橡胶、PVC(聚氯乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯，)、Santoprene(山都平热塑性橡胶)、硅胶、不锈钢(304/316)、不锈钢(其他等级)、软钢、PTFE(聚四氟乙烯)、钛、Tygon(聚乙烯)、Vamac(乙烯基丙烯酸酯弹性体)、Viton(氟橡胶)和锌构成的组。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述具有氧化特性的媒介包括但不限于选自由空气、氧气和臭氧构成的组的至少一种氧化化合物。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述流体选自由水、蒸馏水、去离子水、超纯水、水溶液、海水、废水和油构成的组。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述具有微孔或微隙的组件包括孔或缝隙直径小于约50微米的微孔或微隙。

7.如权利要求1所述的系统，其中，在所述腔室和所述组件的微孔或微隙之间具有小于或等于约0.5mm的间隙。

8.如权利要求1所述的系统，还包括连接在所述腔室和所述流体出口管之间的第二文丘里管；其中，所述第二文丘里管被配置成改变所述流体中氧化气泡的气泡直径。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述第二文丘里管由具有抗氧化性的材料制成，所述材料选自由黄铜、青铜、丁腈橡胶、丁腈橡胶(腈类)、铸铁、Chemraz(全聚橡胶)、铜、CPVC(氯化聚氯乙烯)、交联聚乙烯(PEX)、Durachlor-51、EPDM(三元乙丙橡胶)、EPR(乙丙橡胶)、乙烯-丙烯、纤维增强塑料(FRD)、Flexelene(柔韧聚乙烯)、氟硅氧烷、镀锌钢、玻璃、(哈氏合金)、HDPE(高密度聚乙烯)、(氯磺化聚乙烯橡胶)、Inconel(因科内尔铬镍铁合金)、Kalrez(全氟醚橡胶)、(聚三氟氯乙烯，PCTFE)、LDPE(低密度聚乙烯)、镁、Monel(蒙乃尔铜-镍合金)、天然橡胶、氯丁橡胶、尼龙、PEEK(聚醚醚酮)、聚丙烯酸酯、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯(玻璃填充)(GFPP)、聚硫化物、混炼型聚氨酯橡胶、PVC(聚氯乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯，)、Santoprene(山都平热塑性橡胶)、硅胶、不锈钢(304/316)、不锈钢(其他等级)、软钢、PTFE(聚四氟乙烯)、钛、Tygon(聚乙烯)、Vamac(乙烯基丙烯酸酯弹性体)、Viton(氟橡胶)和锌构成的组。