CN108380066A - 一种在同温同压条件下提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在同温同压外界条件下提高极性液相中非极性气相饱和溶解度的方法，其技术方案要点是，在外界压力、温度不变的情况下，利用大量发生小于50微米的微纳米气泡并将非极性气相包裹在气泡中，并将气泡分布于在液相中，通过采用该技术方案，可以使得液相对该气相的溶解度大大提高。

Description

一种在同温同压条件下提高非极性气相在极性液相中饱和溶 解度的方法
技术领域
本发明涉及一种提高气体溶解度的方法，更具体地说，它涉及一种在同温同压条件下提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度的方法。
背景技术
气向在液相中的溶解度大小，一般决定于气相和液相的极性或者结构特性，一般情况下液相为极性分子比如液相为水时，根据相似相溶原理，H2、 O2、N2等非极性分子结构的气相在水中的溶解度很低；同时气相溶解度的大小也随着气体的压强和溶剂温度的不同而变化。一般情况下，某种非极性气相在同一液相中的溶解度在保持压强、温度不变的情况下是一个定值。
在同温同压外界条件下提高非极性气相在极性液相中的饱和溶解度，在很多领域都均具有深远的意义；众所周知，O3具有很好的杀菌作用，如能在同温同压外界条件下，提高其在水中的饱和溶解度，可以很好地提高其杀菌作用；又如富氢杯中的H2具有清除生物体内自由基的功效，防止人类衰老和患病，如能在同温同压条件下，提高H2在水中的饱和溶解度，可以更好地改善亚健康，提高免疫力。
现有技术中，在保持外界温度压力相同的情况下，仍没有非常有效的提高气向溶解度的方法，如何在同温同压条件下，提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种在同温同压条件下提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度的方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种在同温同压条件下提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度的方法：在外界压力、温度不变的情况下，利用小于50的微纳米气泡包裹气相，并将大量同类气泡分布于在液相中，进而使得液相对该气相的溶解度提高。
进一步设置，所述微纳米气泡的制备包括以下步骤：
a)在第一平衡气体分压下，不断将气相溶解于液相中使其达到饱和；
b)在密封装置中，通过不断加压的方式，使第一平衡气体分压升高增强达到第二平衡气体分压，不断提高气相的溶解度并使液相内的气相达到饱和状态；
c)通过降低压力，将第二平衡气体分压降至第一平衡气体分压，则过饱和的气相从液相中析出，非极性气相分子之间在极性液相中重新结合，形成直径比较小的气体空穴，即所说包裹气相的微纳米气泡。
进一步设置，所述第一平衡气体分压一般指1标准大气压；所述第二平衡气体分压为第一平衡气体分压的3-8倍。
进一步设置，步骤b)中，可以在密闭装置中通过增加气体量也可以增加液相的量来实现加压。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
其一，直径小于50微米的微纳米气泡，在液相中自我收缩的结构特向，在保持外界温度、压力不变的情况下，使得液相内部气泡内部及周边压力增高引起的气相溶解度的提升，从而实现总体溶解度提升的现象。
其二，通过溶气释气的方法产生的微纳米气泡直径较小且数量众多。
其三，当第一平衡气体分压为1标准大气压，压降为3-8个标准大气压时，通过溶气释气方法可产生大量小于50微米的微纳米气泡。
附图说明
图1为液相中气泡的受力示意图。
图2为压力增大时气体溶解度的变化示意图。
图3溶气释气原理指导下的微纳米气泡发生装置的结构示意图。
图中：1、密封溶气装置；2、液相泵；3、气相泵；4、释气装置。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进行详细说明。
如图1所示为气泡在液相中的受力分析示意图，其中，P1为气液分界面的表面张力产生的压强，P2为内部气体膨胀造成的内部压强，P0位为外界大气压对气泡产生的压强，D为气泡直径；单纯就气泡本身(忽略气泡在水中收到浮力、粘滞力等其他因素)，气泡气液分界面受到三个压强：P1、P2、P0。
P1根据Laplace公式，P1＝ΔP，ΔP＝γ(1/R1+1/R2)，式中γ是液体表面张力系数，R1和R2分别为气泡曲率内外半径；若忽略气泡厚度则表达式可以为：P1＝4γ/D，D为气泡直径。
以气相为空气和液相为水，在标况下进行典型计算：
在气泡直径不变的状态下，P0+P1＝P2，我们可以计算出该状态下的标况时气泡直径。
P0＝1.013*10^5；
P1＝4γ/D，标况下，γ为7.56J/m^2；
P2＝nRT/V，(P2是气泡内部压强,V是气泡体积,n＝22.4V,是物质的量,R＝8.314J·mol-1·K-1是标况下理想气体常数,T是开尔文温度273K)
P0+P1＝P2，即1.013*10^5+4γ/D＝22.4VRT/V；
4γ/D＝22.4VRT/V-1.013*10^5；
D＝4*7.56/(22.4*8.314*273*1000-1.013*10^5)；
D＝5.96*10^-7米。
也就是说在标准状况下，直径为59.5微米的气泡直径处于平衡状态，既不变大，也不缩小；
由公式D＝4γ/P1可知，直径越小，表面张力越大，所以标况时在直径小于59.5微米的情况下P1+P0〉P2，气泡外面的压力大于气泡内压，气泡表现为逐渐收缩，气泡内的气体也会进一步溶解在气液界面，造成气泡附近气体的溶解度高于在P0这个外界压力状态下的溶解度；标况时在直径大于于59.5 微米的情况下P1+P0〈P2，气泡外面的压力小于气泡内压，气泡表现为逐渐变大。
以上结论是在气泡在标准状态下得出来的结论，为了增强其使用性，表达为：一般情况下(0～25℃)，当气泡低于50微米时，气泡直径会越来越小，气泡内部压力也会越来越高。事实上本结论和在实际实验观察到的数据基本相符合。
其中，微纳米气泡的制备包括以下步骤：
a)在第一平衡气体分压下，不断将气相溶解于液相中使其达到饱和；
b)通过不断加压的方式，使第一平衡气体分压达到第二平衡气体分压，不断提高气相的溶解度并使液相内的气相达到饱和状态；
c)通过降低压力，将第二平衡气体分压降至第一平衡气体分压，将过饱和的气相分子从液相中析出，析出的气相分子之间在液相中重新结合，形成直径比较小的气体空穴，即微纳米气泡。
作为另一种实施方式，上述实施例中，微纳米气泡也可以通过煮沸、液体电解、超声波空化法、水力空化、高速旋转切割等方式生成，相对于其他方式，溶气释气的方法所需的发生装置结构简单，且生成的微纳米气泡直径较小，可以在某种分压下使得形成的绝大部分微纳米气泡小于50微米，故本实施例优选用溶气释气(也称失压法)的方法生成微纳米气泡。
如图2所示为压力增大时气体溶解度的变化示意图，其中，PA为第二平衡气体分压，PB为第一平衡气体分压，T1为时间，XA和XB为相应平衡气体分压下的溶解度；根据亨利定律：在等温等压下，某种挥发性溶质(一般为气体)在溶液中的溶解度与液面上该溶质的平衡压力成正比；其公式为： Pg＝Hx；式中：H为Henry常数，x为气体摩尔分数溶解度，Pg为气体的分压； H能够很好的表示气体的溶解量(亨利定律只适用于溶解度很小的体系，严格而言，亨利定律只是一种近似规律，不能用于压力较高的体系)。
如图2所示，在同样温度下，平衡气体分压增加，H保持不变，气体的溶解度X也会增加，即图2所示在第二平衡气体分压PA〉第一平衡气体分压 PB的情况下，气体摩尔分数溶解度XA〉XB；本实施例利用亨利定律，在保持温度、液体不变的情况下，先通过不断增加需要溶解的气体的平衡分压使之达到PA，不断提高气体的溶解度并使液体内的液体达到饱和状态，使之达到 XA；然后瞬间降低压力，当PA在瞬间降低到PB后，则气体溶解度也由XA 降至XB，理论上有XA-XB的气体从液体中分离出来，气体分子在液体中析出时一开始是以单个分子状态的存在的，在分子于液体中运动的过程当中，析出的分子互相之间结合在一起，在液体中形成诸多大小不一的空穴，即微纳米气泡，这些空穴的直径一般在50微米以下。
具体的，如图3所示，微纳米气泡的制备方法可以但不局限于通过以下发生装置实现：
发生装置包括密封溶气装置1，密封溶气装置1的入口侧分别连通有液相泵2和气相泵3，密封溶气装置1的出口侧连通释气装置4；使用该发生装置时，可以利用液相泵2提供具有一定压力的循环液相使其流至密封溶气装置1中实现增压，也可以通过气相泵3不断增加需要溶解的气相进行加压，加压时增加的气相通入量在需要时可用空气流量计控制，也可以根据需要气液两相共同进入密封溶气装置1内，实现对气相的增压，当密封溶气装置1达到第二平衡气体分压时，通过释气装置4突然减压，使密封溶气装置1达到回到第一平衡气体分压，使气体以微纳米气泡的形式从水中析出，这样，密封溶气装置1内带有微纳米气泡的液体喷出，配出的就是高于同温同压外界条件下的气相溶解度液体。
进一步，第一平衡气体分压为1标准大气压，第二平衡气体分压为第一平衡气体分压的3-8倍，在第一平衡气体分压为1标准大气压，降压为3-8 个标准大气压的情况下，经反复试验，生产的微纳米气泡数量多且均匀，产生50微米以下气泡的几率比较大，而50微米直径以下的微纳米气泡可以实现自动加压，在液相中体积不断缩小，进而大大提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种在同温同压条件下提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度的方法，其特征是：在外界压力、温度不变的情况下，利用小于50微米的微纳米气泡包裹气相，并将大量同类气泡分布于在液相中，进而使得液相对该气相的溶解度提高。
2.根据权利要求1所述的一种在同温同压条件下提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度的方法，其特征是，所述微纳米气泡的制备包括以下步骤：
a)在第一平衡气体分压下，不断将气相溶解于液相中使其达到饱和；
b)在密封装置中，通过不断加压的方式，使第一平衡气体分压升高增强达到第二平衡气体分压，不断提高气相的溶解度并使液相内的气相达到饱和状态；
c)通过降低压力，将第二平衡气体分压降至第一平衡气体分压，则过饱和的气相从液相中析出，非极性气相分子之间在极性液相中重新结合，形成直径比较小的气体空穴，即所说包裹气相的微纳米气泡。
3.根据权利要求2所述的一种在同温同压条件下提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度的方法，其特征是：所述第一平衡气体分压一般指1标准大气压；所述第二平衡气体分压为第一平衡气体分压的3-8倍。
4.根据权利要求2所述的一种在同温同压条件下提高非极性气相在极性液相中饱和溶解度的方法，其特征是：步骤b)中，可以在密闭装置中通过增加气体量也可以增加液相的量来实现加压。
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