CN108236851B - 超饱和稳定气泡液生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超饱和稳定气泡液生成装置，属于一般的物理或化学的方法或装置的混合作业技术领域。该装置包括循环泵和电解槽，电解槽包括隔离膜以及由隔离膜分隔出的阴、阳电解室，隔离膜两侧设有分别位于阴、阳电解室内的阴、阳电极，阴电解室或阳电解室的进、出水口与循环泵的进、出水口通过管路依次串行连通并形成循环回路，管路上靠近循环泵的进水口处还外接有连通外部的进水管，管路上靠近电解室的出水口处还外接有连通外部的出水管；在使用时，位于循环回路上的阴电解室或阳电解室中电极生成的气体与该电解室中的水体混合生成气泡并在循环回路中高速流动。该装置可以保持水中的气泡的溶解浓度不衰减、水中的气泡长期维持有足够的数量不破碎消失。

Description

超饱和稳定气泡液生成装置
技术领域
本发明涉及一种超饱和稳定气泡液生成装置，属于一般的物理或化学的方法或装置的混合作业技术领域。
背景技术
液体及固液接触面之间普遍存在大小不同的气泡。根据气泡直径级别不同，可分为大气泡（粒径大于数百微米）、微米气泡（粒径介于数十到数百微米）、微纳米气泡（粒径小于数十微米）以及纳米气泡（粒径小于0.1微米，即100纳米）。
高溶解度且富含超微气泡的气液混合体表现出很多有益特性，从而得到越来越多的推广应用。例如有机农业灌溉用氢/氧微气泡水，水产养殖增氧，医疗养生饮用富氢水/高氧水，高浓度臭氧气泡水，超微气泡洗涤液、消毒液、润滑液，等等。然而，超微气泡液从制取到应用都还存在很多难以解决的技术问题。
不过，很多气体却不易溶入水中。例如，在常温常压下(20℃，101.3Kpa)，氢气在1L水中的饱和溶解量仅18.2ml或1.6mg（通常我们用质量浓度1.6PPM或16000ppb来表示）；相似地，氧气常温常压下在水中的饱和溶解量也仅约12 ppm而已。
一般而言，通过水气双膜界面向水体里溶解气体，无论费多大劲，都不能使水体产生超饱和溶解度，这是因为它受液表面溶气性质和传递规律的限制的结果。目前首选解决方法，是向液体中加注入足量超微气泡，伴随着气泡的破灭，气体在水中释放，就可能发生气体在水中以单分子或多分子态的的超量溶解，成为超饱和气水（液）。这其中，气泡的粒径大小是至关重要的因素。例如，当气泡粒径从10 μm下降至10 nm，粒径尺寸的大小变化仅为1000倍，但如果换算成体积的变化，则有109倍之大！也就是说，水中溶存的气体浓度将增加109倍。显然，水（液）中气泡密度越大，气泡粒径越小，越容易达到超饱和。于是人们总是期望气水混合液中气泡粒径越小越好。
此外，如何维持气泡在液体中稳定存在是一个难题。气泡本身是不稳定体，在液体中总是要受浮力而上升，最终穿越气液双膜界面而外逃。尽管减小气泡尺寸可以有效延长气泡在液体中存在时间，但是要想保持气泡在液体中长时间不破灭，气泡数量维持足够密度，气体溶解度不衰减，这在静止容器中是做不到的。
综上，如何保持水中的气泡的溶解浓度不衰减、水中的气泡始终维持有足够的数量不破碎消失（气泡在水中的溶解度达到饱和或超饱和并长时间保持），是现实中急需解决的问题。除了现制现用，目前未见有更好办法。
发明内容
本发明解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种保持水中的气泡的溶解浓度不衰减、水中的气泡长期维持有足够的数量不破碎消失的超饱和稳定气泡液生成装置。
为了解决上述技术问题，本发明的发明人在上述认识的基础上提出如下技术方案是：一种超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：包括循环泵和电解槽，所述电解槽包括隔离膜以及由隔离膜分隔出的阴、阳电解室，所述隔离膜两侧设有分别位于阴、阳电解室内的阴、阳电极，所述阴电解室或阳电解室的进、出水口与循环泵的进、出水口通过管路依次串行连通并形成循环回路，所述管路上靠近循环泵的进水口处还外接有连通外部的进水管，所述管路上靠近所述电解室的出水口处还外接有连通外部的出水管；在使用时，位于所述循环回路上的阴电解室或阳电解室中电极生成的气体与该电解室中的水体混合生成气泡并在所述循环回路中高速流动；所述循环回路内的循环水流量Lx和出水管的出水流量Lc两者保持量化关系为：Lx：Lc≧5。
上述本发明公开的超饱和稳定气泡液生成装置技术方案的工作机理及有益效果陈述如下。
本发明装置结构特征是，参见图1，源水从进水管进水送至循环泵入口，当出水管关闭时，在循环泵驱动下，源水经循环泵出水口→两个独立电解室的一个电解室→循环泵入水口构成一循环回路进行封闭循环流动，整个循环回路的水阻很小，管路压降趋于零，因此循环泵的很小泵压就可以产生很高的循环流速，水流总体表现为层流状态。
本发明先在两个独立电解室的一个电解室中电极生成的气体，由于循环回路中的水流流速很高，气体分子迅速溶解入水流中，与该电解室中的水体混合，在水中生成相当数量的气泡。
在静止液体中，气泡与液体之间最重要的力是升力，气泡在升力作用下不断上浮逃逸。而气泡在流动场中,因气液两相密度、黏度等不同，引起气泡与流体之间速度存在一定差异。而气液两相的相对速度差，产生气液两相间的曳力。在静止液体中，气泡与液体之间最重要的力是升力，而流动液体中则主要是曳力。曳力的存在，限制了气泡的上浮，气泡随流体同向运动而保持相对稳定。
流速越高，同速、同向运动的气泡间发生相互碰撞的几率就越小。气泡进入流水后随水流流向运动时，必定受到水流挤压而变细变长→被持续拉伸→拉断成小气泡→小气泡再进一步缩小…，甚至气泡粒径可以达到100纳米以下。本发明装置正是通过保持封闭循环管路中水体的高流速，来确保生成小气泡。
需要特别指出的是：为要使水中气泡大量稳定存在，理想的情况是气泡均匀分布悬浮于水中，相互之间不碰撞，同时解决气泡无法在静止水中稳定存在的缺陷。本发明装置将气泡溶存在一个封闭旋转的循环回路中,形成一个动态水箱。由流体力学常识知道，对于相同管道截面积，流速越高，流量越大，意味着动态容积增大，可以包容更多气泡进入。伴随着电解室中气泡持续进入水中，循环回路中的气体溶解浓度和气泡数量稳步均匀增加，很快达到饱和乃至超饱和。
概括上述本发明的超饱和稳定气泡液生成装置技术方案的有益效果是：
1）本发明通过两个独立电解室的一个电解室中电极生成的气体，融入水中，从水体内部进行立体溶气，水中存在大量气泡尤其是超微气泡，伴随着气泡的破灭气体在水中释放，就可能发生气体在水中以单分子或多分子态的的超量溶解，成为超饱和气水，气体在水中的扩散就可以不受水体表面溶解度的限制，可以达到超饱和度的状态，并在进入流水后随水流流向运动时，受到水流挤压，甚至可以被持续拉伸、拉断成达到100纳米以下粒径，同时，通过在循环回路中的高流速，使得循环回路中的气体溶解浓度不衰减，水中气泡始终维持有足够的数量。
2）如果从循环水路（动态水箱）中取水输出的流量过大，就会破坏循环回路中气水两相流型的稳定，故本发明装置限定Lx：Lc≧5。
3）现有微气泡水装置都还没有解决的一个应用上的致命缺陷，就是存在对于温升的限制；因为随着温度的升高，加速了溶解于水中的气体（气泡）穿过水气双膜界面向大气中的逃逸。尤其是在沸腾情况下，气泡可能与水蒸气发生剧烈碰撞而迅速破灭、消失，溶解在水中的气体逃逸殆尽。而本发明的循环回路中的水温不再受到限制，甚至可以采用开水（采用耐温材料）。
本发明在上述技术方案基础上的改进是：位于所述循环回路上的阴电解室或阳电解室的截面积与循环回路的管路截面积相同。
本发明在上述技术方案基础上的完善之一是：所述循环回路中的气水混合溶液的最小流速Umin=ɑ×出水流量÷循环回路的管路截面积S，其中ɑ为设定数值，取 5≥ɑ≥2。
本发明在上述技术方案基础上的完善之二是：所述循环回路的管路的截面内径D的范围是 100mm≧D≧2mm。
本发明在上述技术方案基础上的完善之三是：所述循环回路上串接有梳状格栅单元，所述梳状格栅单元包括设有用于气水混合溶液穿过并梳理分隔气泡的多孔材料。
具体实用效果是：梳状格栅单元对水中悬浮运动的气泡群进行梳理分隔，防止气泡间相互聚积，维持泡沫流型，还可在高温时，阻挡气泡上浮。
本发明在上述技术方案基础上的完善之三的改进是：所述多孔材料填充在一封闭容器中，所述多孔材料是活性炭颗粒、烧结活性炭或沸石。
本发明在上述技术方案基础上的完善之三的改进是：所述多孔材料采用微滤膜或超滤膜，所述微滤膜或超滤膜在梳状格栅单元内分隔出与循环回路连通的内腔室以及用于净水出水的外腔室，所述外腔室与出水管连通。
具体实用效果是：通过微滤膜或超滤膜在梳状格栅单元内分隔出内腔室和外腔室，外腔室与出水管连通，兼顾使得出水得到净化。
本发明在上述技术方案基础上的完善之四是：该超饱和稳定气泡液生成装置还包括设于循环泵的进水口处的进水控制单元和设于位于所述循环回路上的阴电解室或阳电解室的出水口处的出水控制单元，所述进/出水控制单元是开关阀、单向阀或稳压阀。
本发明在上述技术方案基础上的完善之五是：所述循环回路上设有循环控制单元，所述循环控制单元包括循环单向阀、流量控制阀、稳压阀或其组合。
具体实用效果是：通过循环控制单元对气水流循环的流量、流速、压力等运行工况进行调试或调整。
本发明在上述技术方案基础上的完善之六是：所述循环回路上设有气泡粒径测量传感器。
通过气泡粒径测量传感器测量水中气泡粒径，从而对系统运行工况加以控制。
本发明在上述技术方案基础上的完善之七是：所述循环泵为隔膜泵。
本发明在上述技术方案基础上的完善之八是：所述进水管的进水口和出水管的出水口之间并联连通有一个缓存水箱。
本发明在上述技术方案基础上的完善之九是：本发明在上述技术方案基础上的完善之十二是：在使用时，所述循环回路的工作压力≤0.01MPa。
本发明在上述技术方案基础上的完善之十是：所述阴阳电极均密布开孔且与隔离膜零间距紧贴，所述隔离膜是超滤膜、纳滤膜或反渗透膜。
附图说明
下面结合附图对本发明的超饱和稳定气泡液生成装置作进一步说明。
图1是本发明实施例一的超饱和稳定气泡液生成装置的连接结构示意图。
图2是本发明的气水两相流的示意图。
图3是本发明实施例二的超饱和稳定气泡液生成装置的连接结构示意图。
图4是本发明实施例三的超饱和稳定气泡液生成装置的连接结构示意图。
图5是本发明实施例四的超饱和稳定气泡液生成装置的连接结构示意图。
图6是本发明实施例五的超饱和稳定气泡液生成装置的连接结构示意图。
图7是本发明实施例六的超饱和稳定气泡液生成装置的连接结构示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的超饱和稳定气泡液生成装置，参见图1和图2，包括循环泵和电解槽1，电解槽1包括隔离膜11以及由隔离膜11分隔出的阴电解室12和阳电解室13。隔离膜两侧设有分别位于阴、阳电解室内的阴电极14和阳电极15。
阴电解室12或阳电解室13的进、出水口与循环泵的进、出水口依次串行连通并形成循环回路2，循环泵的进水口还同时外接连通外部的进水管3，位于循环回路2上的阴电解室12或阳电解室13的出水口还同时外接连通外部的出水管4。
阴电解室12或阳电解室13的进、出水口与循环泵的进、出水口通过管路依次串行连通并形成循环回路2，管路上靠近循环泵的进水口处还外接有连通外部的进水管3，管路上靠近电解室的出水口处还外接有连通外部的出水管4。
参见图1，本实施例的超饱和稳定气泡液生成装置还包括设于循环泵的进水口处的进水控制单元和设于位于循环回路上的阴电解室或阳电解室的出水口处的出水控制单元，进/出水控制单元是开关阀、单向阀或稳压阀。循环泵采用隔膜泵。本实施例的阴阳电极均密布开孔且与隔离膜11零间距紧贴，隔离膜11可以是超滤膜、纳滤膜或反渗透膜，等等。
为了使封闭循环水路担任的动态水箱的容积足够大，同时从气水两相流形态研究可知，为使气泡群能均匀稳定分布于流体中（所对应的气水两相流型为泡状流，或称泡沫流），管路直径应远远大于气泡粒径；反之，若管径太大，水流循环功率损耗将增大。综合平衡后，本发明装置的循环回路2的管路采用具疏水特性，截面内径范围 100mm≧D≧2mm的管道内壁材料。水的温度范围优选的限制为：100oC≧T≧4oC。
在使用时，位于循环回路2上的阴电解室12或阳电解室13中电极生成的气体与该电解室中的水体混合生成气泡并在循环回路2中高速流动；循环回路2内的循环水流量Lx和出水管4的出水流量Lc两者保持量化关系为：Lx：Lc≧5。
本实施例的位于循环回路2上的阴电解室或阳电解室的截面积与循环回路2的管路截面积相同。
本实施例的循环回路2中的气水混合溶液的最小流速Umin=ɑ×出水流量÷循环回路2的管路截面积S，其中ɑ为设定数值，取 5≥ɑ≥2。
本发明装置最需要产生的理想流型就是泡状流（或称气泡流、泡沫流），参见图3，其特征是：气相以小气泡的形式充满液相。
目前对于流型的观测大都还是采用目测法。在此次实验的循环回路2中，接入一段透明管道，可以很清晰地观察到管道中的流动情况。刚开始没有气体加入时。管道中流体的流动看着是透明的，加入气体之后，开始出现浑浊。提高泵的电压至额定工作电压，提升循环泵的转速（但泵的负荷很轻，电流通常都是在额定负载电流的1/3处左右），仅仅一两秒钟的时间管路就变得清澈透明，用手去捏管，还是胀胀的，说明里面水还是在流动，否则真以为是没有水流循环，停止了。
实际试验测试中，以氢气和水混合制取的氢水，采用丹麦Unisense高精度氢微电极检测，溶解氢浓度可以稳定维持在3.0ppm以上。气泡密度为1500～3100/ml。
本发明装置在使用时，循环回路2基本工作在≤0.01MPa低压范围。循环泵始终处于轻负荷状态，因此不仅节能，而且工作可靠，故障率极低。同时，本发明装置中各单元部件基本都是市面上技术成熟、易购易元器件，因此本发明装置的性价比极高，适合大批量生产、适用于各种场合推广普及。本发明装置生成的气泡水的气泡溶解度达到饱和或超饱和，气泡可在水体中长时间保持（不少于300s），耐高温，可连续大流量产出的气泡水。
实施例二
本实施例的超饱和稳定气泡液生成装置是在实施例一基础上的改进，与实施例一的不同之处在于：
参见图3，本实施例的循环回路2上串接有梳状格栅单元5。梳状格栅单元5包括设有用于气水混合溶液穿过并梳理分隔气泡的多孔材料。多孔材料填充在一封闭容器中，多孔材料是活性炭颗粒、烧结活性炭或沸石。
实施例三
本实施例的超饱和稳定气泡液生成装置是在实施例二基础上的改进，与实施例二的不同之处在于：
参见图4，本实施例的多孔材料采用微滤膜或超滤膜，微滤膜或超滤膜在梳状格栅单元5内分隔出与循环回路2连通的内腔室51以及用于净水出水的外腔室52，外腔室52与出水管4连通。
实施例四
本实施例的超饱和稳定气泡液生成装置是在实施例一基础上的改进，与实施例一的不同之处在于：
参见图5，本实施例的循环回路2上设有循环控制单元，循环控制单元包括循环单向阀、流量控制阀、稳压阀或其组合。
实施例五
本实施例的超饱和稳定气泡液生成装置是在实施例一基础上的改进，与实施例一的不同之处在于：
参见图6，本实施例的循环回路2上设有气泡粒径测量传感器6。通过检测循环水中气体的折光度，来判断气水溶液两相运转情况，实现对系统运行工况的控制。如果水很浑浊，说明水和气的混合不好，流型不是泡沫型。反之，当水由浑浊变清，说明水中的气体溶解氢度和气泡，已达到要求，可以停止进气，使泵处在一个低速保持的循环工况。
实施例六
本实施例的超饱和稳定气泡液生成装置是在上述实施例基础上的改进，与上述实施例的不同之处在于：参见图7，本实施例的进水管3的进水口和出水管4的出水口之间并联连通有一个缓存水箱。
本发明的超饱和稳定气泡液生成装置不局限于上述实施例的具体技术方案，本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案。凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (12)

1. 一种超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：包括循环泵和电解槽，所述电解槽包括隔离膜以及由隔离膜分隔出的阴、阳电解室，所述隔离膜两侧设有分别位于阴、阳电解室内的阴、阳电极，所述阴电解室或阳电解室的进、出水口与循环泵的进、出水口通过管路依次串行连通并形成封闭循环管路，所述管路上靠近循环泵的进水口处还外接有连通外部的进水管，所述管路上靠近所述电解室的出水口处还外接有连通外部的出水管；在使用时，位于所述封闭循环管路上的阴电解室或阳电解室中电极生成的气体与该电解室中的水体混合生成气泡并在所述封闭循环管路中高速流动；所述封闭循环管路内的循环水流量Lx和出水管的出水流量Lc两者保持量化关系为：Lx：Lc≧5；所述封闭循环管路中的气水混合溶液的最小流速Umin=ɑ×出水流量÷封闭循环管路的管路截面积S，其中ɑ为设定数值，取 5≥ɑ≥2；所述封闭循环管路的管路的截面内径D的范围是 100mm≧D≧2mm。
2.根据权利要求1所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：位于所述封闭循环管路上的阴电解室或阳电解室的截面积与封闭循环管路的管路截面积相同。
3.根据权利要求1或2所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：所述封闭循环管路上串接有梳状格栅单元，所述梳状格栅单元包括设有用于气水混合溶液穿过并梳理分隔气泡的多孔材料。
4.根据权利要求3所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：所述多孔材料填充在一封闭容器中，所述多孔材料是活性炭颗粒、烧结活性炭或沸石。
5.根据权利要求3所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：所述多孔材料采用微滤膜或超滤膜，所述微滤膜或超滤膜在梳状格栅单元内分隔出与封闭循环管路连通的内腔室以及用于净水出水的外腔室，所述外腔室与出水管连通。
6.根据权利要求1或2所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：该超饱和稳定气泡液生成装置还包括设于循环泵的进水口处的进水控制单元和设于位于所述封闭循环管路上的阴电解室或阳电解室的出水口处的出水控制单元，所述进/出水控制单元是开关阀、单向阀或稳压阀。
7.根据权利要求1或2所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：所述封闭循环管路上设有循环控制单元，所述循环控制单元包括循环单向阀、流量控制阀、稳压阀或其组合。
8.根据权利要求1或2所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：所述封闭循环管路上设有气泡粒径测量传感器。
9.根据权利要求1或2所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：所述循环泵为隔膜泵。
10.根据权利要求1或2所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：所述进水管的进水口和出水管的出水口之间并联连通有一个缓存水箱。
11.根据权利要求1或2所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：在使用时，所述封闭循环管路的工作压力≤0.01MPa。
12.根据权利要求1或2所述超饱和稳定气泡液生成装置，其特征在于：所述阴阳电极均密布开孔且与隔离膜零间距紧贴，所述隔离膜是超滤膜、纳滤膜或反渗透膜。
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