CN108786507A - 保护性气体纳米气泡发生装置 - Google Patents

保护性气体纳米气泡发生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种保护性气体纳米气泡发生装置。包括用于容纳气体和混合气液两相的压力容器，用于将液体输送至压力容器的雾化喷嘴，用于监测压力容器内部压强的压力传感器，用于将气体输送至压力容器的气体输送管路，气体输送管路上设置有进气控制阀；压力传感器与进气控制阀实行连锁控制；还包括带有输送喷嘴的管路，输送喷嘴由一个或多个毛细管构成，或由夹在两个或多个板面间的一个或多个通道构成，且所述毛细管或通道至少在一个维度上的尺寸小于20mm。本发明的优点是：1、设备结构简单、操作方便、成本低；2、能够适应化工、制药、食品加工业等领域大规模连续生产中保护性气体的连续引入需求；3、工况适应性强。

Description

保护性气体纳米气泡发生装置
技术领域
本发明涉及一种将氮气、氦气、氩气等保护性气体以纳米级气泡的形式引入液相反应体系的发生装置，适用于化工、制药、食品加工业中需要保护气的液相反应体系及工艺。
背景技术
在化工、制药、食品加工业中所涉及的很多液相反应体系及工艺中，保护气通常被引入反应体系来防止被保护的物质被空气中的氧气氧化。被引入的保护气一般是化学性质稳定，且不与被保护物质发生化学反应的气体，通常为氮气及稀有气体(包括：氦、氖、氩、氪、氙、氡)或其他不和反应物反应的气体。
保护气通常以气泡的形式引入至液相反应体系。气泡的大小可以在很大范围内变化。现有的工艺及设备在引入保护气时所产生的气泡尺寸通常为微米级至毫米级或更大的气泡。较之微米级气泡、毫米级气泡或更大的气泡，以纳米级气泡(气泡直径在0.5至200纳米之间的气泡，后文亦称“纳米气泡”)的形式引入保护气具有明显的优势。
首先，气泡的上升速度与气泡直径的平方成正比(D.G.Karamanev,AIChE J.40(8),1418(1994))。因此，纳米级气泡的上升速度是微米级气泡的约百万分之一，是毫米级气泡的约万亿分之一。直径小于1微米的气泡通常在液相体系内为随机布朗运动状态，因此保护气体可在液体中长时间停留，起到保护反应体系的作用而不从体系中排出而浪费。
其次，单位体积内气泡的比表面积与气泡的大小成反比(L.Albright，Albright’sChemical Engineering Handbook，CRC Press，2008)。因此，纳米级气泡的比表面积是微米级气泡比表面积的约1000倍，是毫米级气泡比表面积的约100万倍。比表面积越大就意味着气、液体之间的界面面积越大，传质的速率越快，液相体系中溶解的氧气逃逸液相而向气相传质的速率越快。
已经公开的纳米气泡的产生方式不适于向在大规模工业生产中的液相反应体系中引入保护气。比如在研究实验室内，可以通过电解的方式生成纳米气泡(K.Kikuchi,Y.Tanaka,Y.Saihara,M.Maeda,M.Kawamura and Z.Ogumi,J.Colloid InterfaceSci.298,914-919(2006)；K.Kikuchi,S.Nagata,Y.Tanaka,Y.Saihara,Z.Ogumi,J.Electroanal.Chem.600,303-310(2007)；K.Kikuchi,A.Ioka,T.Okua,Y.Tanaka,Y.Saihara and Z.Ogumi,J.Colloid Interface Sci.329,306-309(2009))。但这种方法不适于向反应体系中引入氮气及稀有气体等保护气。
纳米气泡也可通过使用表面活性剂和声波降解法来产生，并已被应用于科学研究(Z.Xing,J.Wang,H.Ke,B.Zhao,X.Yue,Z.Dai,and J.Liu,Nanotechnology 21,14(2010)。这种方法生成的纳米气泡可以作为超声造影剂使用，也可以用于靶向给药(S.Sirsi andM.Borden,Bubble Sci.Eng.Technol.1,3(2009))，但不适于向反应体系中引入氮气及稀有气体等保护气。
中国专利申请CN 105457546 A，CN 205045842 U、CN 204803069 U、CN 204752239U、CN 105417674 A、CN 105289219 A、CN 105347519 A、CN 104710002 A、CN 105240269 A、CN 105293673 A、CN 203862408 U、CN 203946901 U、CN 203976498 U、CN 204134485 U、CN204162498 U、CN 204097182 U、CN 105233643 A、CN 204159287 U等公开的各种纳米气泡形成装置，或者难以形成真正的纳米气泡，或者存在结构复杂、精度不高、效率低、能耗高等各种问题，难以向在大规模工业生产中的液相反应体系中引入保护气。
因此，化工、制药、食品加工业仍然需要一种更加方便的、成本更低的将保护气以纳米级气泡的形式引入液相反应体系的系统和方法，以便以可接受的成本扩宽其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种效率高、操作方便的向液相反应体系中以纳米气泡的形式引入保护性气体的装置。以使纳米气泡发生装置在化工、制药、食品加工业中能够得到广泛的推广运用。
在一个方面，本发明提供了一种向液相反应体系中引入保护性气体的方法，其包括三个步骤：第一步，将液体通过雾化喷嘴引至含有气体的压力容器内，液体在压力容器内形成液滴，气体在高于大气压的压力下扩散到液滴中；第二步，将压力容器内的含气液体送至狭小空间(所述空间至少一个维度尺寸小于20毫米)；第三步，将含气液体从狭小空间喷射至低于狭小空间压力的开放环境内。
在另一个方面，本发明提供了一种保护性气体纳米气泡发生装置，其包括2个主要组件：第一个组件包括用于容纳气体和混合气液两相的压力容器和用于将液体输送至压力容器的雾化喷嘴；第二个组件包括带有输送喷嘴的与第一个组件连接的管路，该输送喷嘴含有一个或多个毛细管或一个或多个夹在两个或多个板面之间的通道，所述毛细管或通道至少在一个维度上的尺寸小于20mm。
此外，在化工、制药、食品加工业等领域存在这样一个问题：在化工、制药、食品加工业中所涉及的很多液相反应体系及工艺中，要求保护性气体进入反应体系连续且稳定，特别是在连续生产中，需要长时间连续不断的向体系中引入保护性气体，此时保护性气体的进入速率就尤为重要，过量保护性气体进入反应体系无疑会对反应的进行造成影响，而不足量的保护性气体则难以起到防止被保护的物质被氧化的效果。
因此，在将本发明应用于连续生产中我们需要额外考虑这一问题，由本发明的保护性气体纳米气泡发生装置的原理可知，含气液体从狭小空间喷射至低于狭小空间压力的开放环境内所依赖的动力来自于压力容器与开放环境之间的压强差。在连续生产中，压力容器中的保护性气体不断在高压下扩散到液滴中，并随液体离开系统，由此导致压力容器的压强不断减小，压强减小的后果是导致扩散到液滴中的保护性气体不断减少，同时保护性气体进入反应体系的速率也不断降低，这对于生产工艺的稳定、产品质量的稳定都是非常不利的。
因此，为将本发明应用于连续生产，我们需要解决如何在连续生产中维持压力容器的压强稳定的问题。为此，发明人设计了如下解决方案：
在第一组件中增加用于监测压力容器610内部压强的压力传感器670，用于将气体输送至压力容器610的气体输送管路，所述气体输送管路上设置有进气控制阀660；所述压力传感器670与进气控制阀660实行连锁控制。
在连续生产中，可通过连锁控制系统(PLC等)设定压力传感器的监测值范围，当压力容器内部压强超过监测值范围时，经控制系统将信号反馈至进气控制阀，从而关闭进气控制阀或减少进气流量，防止压强继续增加；当压力容器内部压强低于监测值范围时，控制系统反馈至进气控制阀，从而打开进气控制阀或增加进气流量，防止压强继续降低，以此将压力容器内部压强稳定在设定值范围，便于实现连续生产。
此外在实际生产中，为了保证“液体通过雾化喷嘴引入含有气体的压力容器内，液体在压力容器内形成液滴，气体在高于大气压的压力下扩散到液滴中”，需要保证压力容器内的液位至高不能浸没雾化喷嘴，也不能使压力容器内液体完全排空。而实际生产中，我们常需要将同一套设备用于不同的液相反应体系及工艺的保护性气体的引入，不同的液相反应体系对保护性气体的种类和引入速率的要求都是不同的，纳米气泡发生速率的增大或减小必然伴随着压力容器内部的压强需要达到新的平衡值，压强的改变意味着溶有保护性气体的液体从压力容器底部流向开放环境的流速发生变化，如果上部雾化喷嘴的进液速率仍保持恒定，底部流速的变化必然会引起液位上升至浸没雾化喷嘴，或液位下降至容器排空，这都不是我们希望看到的。
为此发明人提出了解决方案，在第一组件中增加用于监测压力容器610内部液位高度的液位传感器690，与雾化喷嘴640连接的液体输送管路，所述液体输送管路上设置有进水控制阀680，所述液位传感器690与进水控制阀680实行连锁控制。
在实际生产中，可通过连锁控制系统(液位开关和PLC等)设定液位传感器的监测值范围，当压力容器内部液位高度超过监测值范围时，经控制系统将信号反馈至进水控制阀，从而减少进水流量，防止水位浸没雾化喷嘴；当压力容器内部水位高度低于监测值范围时，控制系统反馈至进水控制阀，从而增加进水流量，防止压力容器内液体排空，以此将压力容器内水位稳定在设定值范围，便于适应不同的工况。
本发明的用于生成含有纳米级气泡的液体的设备可以具有以下一个或多个优势：1、设备结构简单、操作方便、成本低；2、能够在连续生产中维持压力容器内部压强稳定，能够适应化工、制药、食品加工业等领域大规模连续生产中保护性气体的连续引入需求；3、在不同的工况中能够保证装置的稳定、连续运行，工况适应能力强。
具体实施方式
根据本申请说明书和权利要求中所述(包括实施例中所述)，除非特殊指明，这里使用的涉及工艺参数的数字前都可以加上“大约”这个词汇，即使有的地方没有明确使用“大约”这个词汇。同时，所有以数值范围形式描述的区间区域包括所描述区域内的所有子区域，特别是包括由本文所公开的任意具体数值作为区间端点所构成的子区间。
根据本说明书所述，除非另有说明，否则当按照上述方式表达时，术语“约”或“大约”是指所示范围、所示值或所示结构的±20％、更优选±10％、进一步优选±5％、最优选±3％。除非另有明确说明，否则替代方法的使用(例如，“或者”)是指替代方案中的任意一个、二个、或其中任意组合形式。
在本公开中“压力”和“压强”被理解为具有相同的含义，表示单位面积的压力大小，单位为Pa或MPa。
本领域技术人员可以理解：以下分别描述的本发明的各个实施方式和实施例中不同的优选项、参数范围、结构特征等可以互相组合(只要它们之间不存在内在矛盾即可)，而所有可能的组合方式都视为本发明公开的一部分。
在一个方面，本发明提供了一种生成含有纳米级气泡的液体的方法(即，将气体以纳米气泡的形式溶于液体中的方法)，其包括三个步骤：第一步，将液体通过雾化喷嘴引至含有气体的压力容器(下文亦称“压力容器”)内，液体在压力容器内形成液滴，气体在高于大气压的压力下扩散到液滴中；第二步，将压力容器内的含气液体送至狭小空间；第三步，将含气液体从狭小空间喷射至低于狭小空间压力的开放环境内。
所述方法可以包括其他必要步骤，且以上三个步骤中每个步骤可以包括多个子步骤，或与之前或之后的步骤合并。
根据本发明所述的一些实施方式，所述第一步中气、液体混合的绝对压强在约0.15MPa至约100MPa之间，优选在约0.2MPa至约20MPa之间，最优选在约0.3MPa至约10MPa之间。
对于所采用的液体并不特殊限制，但是优选地所述液体是水或含水液体。所述压力容器内的气体并无特殊限制，只要其不溶或微溶于所采用的液体即可，例如气体可以是氮气及稀有气体(包括：氦、氖、氩、氪、氙、氡)或其他不和反应物反应的气体。将液体引入压力容器可以采用本领域已知的各种方式，例如可以采用泵送的方式或使用高压喷射器。同样，将保护性气体引入压力溶液也可以采用高压输送的方式。
所述第二步中使用的狭小空间至少一个维度尺寸小于20毫米(mm)，例如范围在约1微米(μm)至20毫米之间，优选在约100微米至约10毫米之间，最优选在约0.5毫米至约5毫米。
根据本发明所述的一些实施方式，所述第二步中使用的狭小空间采用内直径在约1微米至20毫米之间的毛细管，优选内直径在约100微米至约10毫米之间，最优选在约0.5毫米至约5毫米。
根据本发明所述的另一些实施方式，所述第二步中使用的狭小空间可采用夹在两个或多个板面间的通道(下文亦称“通道”)。通道的截面轮廓可以是圆形、正方形、矩形、椭圆形、三角形等，且至少一个维度尺寸小于20毫米，范围在约1微米至20毫米之间，优选在约100微米至约10毫米之间，最优选在约0.5毫米至约5毫米。
根据本发明所述的一些实施方式，所述第二步中的毛细管或通道与液体接触的表面需要允许液体浸润，所以毛细管或通道的与液体接触的表面的固有液体接触角应小于60°，优选小于40°，最优选小于30°。如果液体是水或含水液体，毛细管和通道内表面应具有亲水性，且固有水接触角小于60°，优选小于40°，最优选小于30°。
根据本发明，在第三步，将含气液体液滴由狭小空间喷射至低于狭小空间压力的开放环境。所述狭小空间由于与压力容器连通，所以其压力通常基本等于压力容器的内压。而所述开放环境的压力优选为大气压。
下面简单介绍本发明的向液相反应体系中以纳米气泡形式引入保护性气体方法的原理，但是应该理解：这里提供的理论解释仅是为了便于技术人员理解本发明，其不以任何形式构成对本发明的限制，且随着科技进步对本发明的理论阐述有可能有进一步的发展和变化。
气体在液体中的热力学平衡浓度是由亨利定律决定。在大气压力下，许多气体如氮气及稀有气体(包括：氦、氖、氩、氪、氙、氡)在液体(如水)中的溶解度很低，即这些气体在液体中可达到的最大浓度很低。根据亨利定律，增加压力将增加气体在液体中可达到的最大浓度。然而，当含有相对较高浓度气体的液体从压力容器内喷射至低压环境(比如常压)时，在压力容器的出口通常会出现空化现象，伴随着气泡急速生成和气体逸出液体的现象。
从热力学角度看，在均相介质中由空化现象引起的系统自由能变化包括二项。第一项是由于溶解于液体的气体成为逸出液体的气体而导致的自由能的损失(Gv)。当气体在压力下降时逸出饱和液体，其自由能的变化为负数。第二项是由于气液之间新界面的产生而增加的自由能，表示为4πr2σ，σ为气液界面的表面张力，r为气泡半径。自由能的整体变化可用等式(1)表示：
等式1中的首项为负，与半径的3次方成比例；等式1中的第二项为正，与半径的2次方成比例。因此，二项的和先增加再减小，其趋势如图1所示。为形成气泡，需克服能障，能障峰值时的半径为临界半径r*，可按照如下计算：
相应自由能变化(ΔG*)为：
根据该能量图所示，当气泡的半径小于r*时，气泡将自发减小尺寸，气体最终将溶于液体中。当气泡的半径大于r*时，气泡将自发增大尺寸。
当系统存在空化核时，气泡的形成和生长需克服的能障显著降低。图2所示的是存在空化核的情况下的异相空化过程，球形颗粒的半径为R，此时临界空化核半径为rc。均相介质中均相核化过程的能障(ΔGhomo)与存在空化核时的能障(ΔGc)之间的相关性可用如下经典的异相核生成理论表达(Liu,X.Y.J.Chem.Phys.1999,111,1628–1635)：
其中
x＝R/rc,m＝cosθ,w＝(1+x2-2xm)1/2 (6)
θ为液体与空化核的接触角。
根据等式(1)，(2)，(3)，(4)，(5)和(6)，如果系统无空化核，气泡要在液体中成长为超过临界半径r*的气泡仍需系统克服能障。用于克服能障的能量通常由高温下的热扰动或机械扰动提供。如果有空化核存在于系统中，能障可显著降低，气泡的生长则需要相对较小的能量输入。
因而，为了使气泡半径保持在临界半径以下，本次公开采用以下方法和系统以避免或减少空化核的形成以及气泡的异相成核途径。将气体以纳米气泡的形式溶于水或者其他液体的方法分为三步，每个步骤可以包括多个子步骤，或涵盖其它步骤(前或后)。第一步，气、液体在高于大气压的压力下混合，且气体溶于液体之中。第二步，将含气液体送至狭小空间(至少一个维度小于20mm)。第三步，含气液体从狭小空间喷射至低于狭小空间压力的开放环境内。该方法能够将气体以纳米气泡的形式溶于水或者其他液体中，可适用于向液相反应体系中引入保护性气体。
第一步的目的是将气体引入到液体之中，达到比在常压下液体中气体饱和浓度更高的气体浓度。因此，第一步骤中气液体混合的绝对压强在约0.15MPa至约100MPa之间，优选在约0.2MPa至约20MPa之间，最优选在约0.3MPa至约10MPa之间。
第二步，将含气液体送至狭小空间(至少一个维度小于20mm)。该狭小空间起到毛细管通道的作用以去除液体中的空化核和气泡，并防止在液体喷射至较低压力下的环境中时形成空化核和气泡。根据本次公开所述实施方式，第二步中使用的狭小空间至少其中一个维度小于20毫米，范围在1微米至20毫米之间，优选在约100微米至约10毫米之间，最优选在约0.5毫米至约5毫米。
在本发明的一些实施例中，第二步中使用的狭小空间可采用内直径在约1微米至20毫米之间的毛细管310，优选在约约100微米至约10毫米之间，最优选在约0.5毫米至约5毫米之间。多个毛细管310可组装在一起作为毛细管束320。毛细管310和毛细管束320的横截面如图3所示。
在本发明的一些实施例中，第二步中使用的狭小空间可在板面420间形成通道410，如图4所示。通道410的截面轮廓可为圆形、正方形、矩形、椭圆形、三角形等，且至少其中一个维度小于20毫米，范围在1微米至20毫米之间，优选在约100微米至约10毫米之间，最优选在约0.5毫米至约5毫米。
在本发明的一些优选实施例中，第二步中的毛细管和通道需要液体浸润，以防止毛细管和通道内形成空化核。固体上液体的湿润性可通过接触角θ表示。图5所示为固体上液体的接触角。根据杨氏方程，如果固体表面平整光滑，接触角被称为固有接触角θ，与固液界面的表面自由能(γSL)、液气界面的表面自由能(γLV)和固气界面的表面自由能(γSV)相关：
所以，在本发明的一些优选实施例中，毛细管和通道表面的固有接触角应小于60°，优选为小于40°，最优选为小于30°。如果液体是水，毛细管和通道应具有亲水性，且固有水接触角小于60°，优选小于40°，最优选小于30°。毛细管和通道内小的接触角可防止空化核的形成。小的接触角也可减小等式(4)、(5)和(6)中的因子f，保持能障来阻止较小的气泡长大。
第三步，含气液体从狭小空间喷射至低于狭小空间压力的开放环境内。该开放环境可以是纳米气泡或含有纳米级气泡的液体的应用环境，例如容纳含有纳米级气泡的液体的非密闭容器。
在一个方面，本发明提供了一种一种将氮气、氦气、氩气等保护性气体以纳米级气泡的形式引入液相反应体系(即，将气体以纳米气泡的形式溶于液体的系统)，其包括2个主要组件：第一个组件用于容纳气体和混合气液两相的压力容器和用于将液体输送至压力容器的雾化喷嘴；第二个组件包括带有输送喷嘴的与第一个组件(的压力容器)连接的管路，该输送喷嘴含有一个或多个毛细管或一个或多个夹在两个或多个板面之间的通道，所述毛细管或通道至少在一个维度上的尺寸小于20mm。
图6示出了本发明的保护性气体纳米气泡发生装置的结构简图，其包括2个主要组件：第一个组件包括用于气液体混合的压力容器610，其中气体在高于大气压的压力下溶于液体中；第二个组件包括带有输送喷嘴630的软管620，该输送喷嘴630由一个或多个毛细管310(至少一个维度尺寸小于20mm)或板面420间形成的通道410(至少一个维度尺寸小于20mm)组成。根据该实施例，液体通过系统的第一个组件中的雾化喷嘴640后进入压力容器610内。液体通过喷嘴后在压力容器内形成液滴650，气体溶入到液滴内。
在连续生产中，液体连续不断的从雾化喷嘴640进入压力容器610，从而不断带走压力容器610中的保护性气体，为了维持生产，需不断向压力容器610中注入保护性气体，即压力容器610中压强是动态变化的，为维持压强稳定，在第一组件中增加用于监测压力容器610内部压强的压力传感器670，用于将保护性气体输送至压力容器610的气体输送管路，所述气体输送管路上设置有进气控制阀660；所述压力传感器670与进气控制阀660实行连锁控制。
在连续生产中，可通过连锁控制系统(PLC等)设定压力传感器的监测值范围，当压力容器内部压强超过监测值范围时，控制系统反馈至进气控制阀，从而关闭进气控制阀或减少进气流量，防止压强继续增加；当压力容器内部压强低于监测值范围时，控制系统反馈至进气控制阀，从而打开进气控制阀或增加进气流量，防止压强继续降低，以此将压力容器内部压强稳定在设定范围，便于实现连续生产。
当工况发生变化时，如需要将本装置用于给另一液相反应体系引入保护性气体，压力容器610需要的压强也发生变化，为了保证压力容器610中液位不浸没雾化喷嘴640，或为了防止压力容器610内液体排空，需要对雾化喷嘴640的进液流量进行调整。为此发明人增加用于监测压力容器内部液位高度的液位传感器690，与雾化喷嘴640连接的液体输送管路，所述液体输送管路上设置有进水控制阀680，所述液位传感器690与进水控制阀680实行连锁控制。
发明人通过连锁控制系统(液位开关和PLC等)设定液位传感器的监测值范围，当压力容器内部液位高度超过监测值范围时，经控制系统反馈至进水控制阀，从而减少进水流量，防止水位浸没雾化喷嘴；当压力容器内部水位高度低于监测值范围时，控制系统反馈至进水控制阀，从而增加进水流量，防止压力容器内液体排空，以此将压力容器内水位稳定在设定值范围，便于适应不同的工况。
在本发明的一些实施例中，进入压力容器内的气体可以为氮气、氦气、氩气等保护性气体，这些气体可以取自高压气瓶、这些气体对应的液态形式的物质比如液氮、或者制取这些气体的设备比如制氮机。
在本发明的一些实施例中，系统第二个组件中输送喷嘴中使用的毛细管可以是内直径在约1微米至20毫米之间的导管，优选在约100微米至约10毫米之间，最优选在约0.5毫米至约5毫米之间。
在本发明的一些实施例中，系统第二个组件中使用的输送喷嘴为板基喷嘴，包括可形成多个通道的一个或多个板面。通道的截面轮廓可以是不同的形状，圆形、正方形、矩形、椭圆形、三角形等，至少一个维度尺寸在约1微米至20毫米之间的导管，优选在约100微米至约10毫米之间，最优选在约0.5毫米至约5毫米之间。
在本发明的另外一些实施例中，所述毛细管的内直径或所述通道截面的至少一个维度的尺寸小于1mm，在约10nm至约1mm之间，优选在约1微米至约500微米之间，最优选在约10微米至约100微米之间。
在本发明的一些实施例中，系统第二个组件中使用的毛细管或板面是由二氧化硅或硅酸盐玻璃制成。也可以是由多种金属、合金、玻璃、塑料、聚合物、陶瓷、或其他适宜材料制成。
下面结合具体实施例对本发明进行更新的说明，这些实施例不构成对本发明的限制。
附图概述
图1为均相介质中伴随均相空化的自由能变化示意图。
图2为存在空化核的条件下异相空化过程的示意图。
图3为毛细管和毛细管束的截面示意图。
图4为板面间形成通道的示意图。
图5为固液体间接触角示意图。
图6为本发明的保护性气体纳米气泡发生装置结构示意图。
图中标记为：310-毛细管，320-毛细管束，410-通道，420-板面，610-压力容器，620-软管，630-输送喷嘴，640-雾化喷嘴，650-液滴，660-进气控制阀，670-压力传感器，680-进水控制阀，690-液位传感器。
实施例
实施例1
采用图6所示设备，工作时，首先通过连锁控制系统设定压力传感器的监测值范围为14.9～15.1Mpa，进气控制阀开启，高压氮气通过气体输送管路进入压力容器，当压力容器中压强超过15.1Mpa时，进气控制阀关闭，此时将溶解氮含量为1ppm的水通过雾化喷嘴(不锈钢、6毫米内径)引入至充有15.1MPa氮气的压力容器内。从雾化喷嘴喷出来的水成雾状，溶入氮气之后的水滴被收集在压力容器底部。被收集的水通过导管离开压力容器，而后在输出管路的末端经过一束硼硅酸盐毛细管(内经5毫米)喷射至水槽内。毛细管出口处测得的溶解氮含量为600ppm。在发射488/515nm波长光的氩离子激光器下，观测离开毛细管喷嘴的溶有氧气的水体，无直径大于500nm的气泡被观测到。随着压力容器内部氮气不断被带出，压力容器内部压强逐渐减小，当压强减小至低于14.9Mpa时，进气控制阀自动开启，高压氮气通过气体输送管路进入压力容器，从而防止压强继续降低，以此将压力容器内部压强稳定在14.9～15.1Mpa范围内，便于实现连续生产。
当工况发生变化时，将压力传感器的监测值范围调整至8.9～9.1Mpa以适应新的工况要求，压力容器内液位逐渐上升，当压力容器内部液位高度超过设定的液位传感器监测值上限时，经控制系统反馈至进水控制阀，从而减少雾化喷嘴的进水流量，防止水位浸没雾化喷嘴。
实施例2
采用图6所示设备，工作时，首先通过连锁控制系统设定压力传感器的监测值范围为9.9～10.0Mpa，然后同时打开雾化喷嘴和进气控制阀，使含有5％葡萄糖的水溶液(D5W溶液)与氮气同时进入压力容器中，压力容器压强逐渐上升，溶有氮气的D5W溶液经过一束硼硅酸盐毛细管(内经0.5毫米)喷射至水槽内。在发射488/515nm波长光的氩离子激光器下，观测离开毛细管喷嘴的溶有氮气的D5W溶液，无直径大于500nm的气泡被观测到。工作一段时间后压力容器内部压强上升到10Mpa以上，压力传感器反馈至PLC控制系统，进气控制阀自动调节，降低进气流量，从而防止压强继续增加，以实现连续生产。
当工况发生变化时，将压力传感器的监测值范围调整至19.9～20.0Mpa以适应新的工况要求，压力容器内液位逐渐下降，当压力容器内部液位高度低于设定的液位传感器监测值范围时，经控制系统反馈至进水控制阀，从而增加雾化喷嘴的进水流量，防止压力容器排空。
实施例3
采用图6所示设备，工作时，首先通过连锁控制系统设定压力传感器的监测值范围为4.9～5.1Mpa，进气控制阀开启，高压氮气通过气体输送管路进入压力容器，当压力容器中压强超过5.1Mpa时，进气控制阀关闭，此时将水通过雾化喷嘴(不锈钢、6毫米内径)引入至充有5.1MPa氮气的压力容器内。从雾化喷嘴喷出来的水成雾状，溶入氮气之后的水滴被收集在压力容器底部。被收集的水通过导管离开压力容器，而后在输出管路的末端经过一束硼硅酸盐毛细管(内经1毫米)喷射至白蛋白溶液中。使用亚微米颗粒粒度分析仪(Tri-Blue Microtrac,Leeds&Northrup Instruments)查看白蛋白溶液中的气泡粒径分布，发现气泡的粒径在约50nm至170nm之间呈正态分布，平均粒径约为110nm。随着压力容器内部氮气不断被带出，压力容器内部压强逐渐减小，当压强减小至低于4.9Mpa时，进气控制阀自动开启，高压氮气通过气体输送管路进入压力容器，从而防止压强继续降低，以此将压力容器内部压强稳定在4.9～5.1Mpa范围内，便于实现连续生产。
实施例4
采用图6所示设备，工作时，首先通过连锁控制系统设定压力传感器的监测值范围为14.9～15.0Mpa，然后同时打开雾化喷嘴和进气控制阀，使水与氦气同时进入压力容器中，压力容器压强逐渐上升，溶有氦气的水经过一束硼硅酸盐毛细管(内经2毫米)喷射至白蛋白溶液中。使用亚微米颗粒粒度分析仪(Tri-Blue Microtrac,Leeds&NorthrupInstruments)查看白蛋白溶液中的气泡粒径分布，发现气泡的粒径在约40nm至180nm之间呈正态分布，平均粒径约为100nm。工作一段时间后压力容器内部压强上升到15Mpa以上，压力传感器反馈至PLC控制系统，进气控制阀自动调节，降低进气流量，从而防止压强继续增加，以实现连续生产。
尽管上文已经对具体实施例进行了具体描述，本领域的技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的精神的范围内可进行形式和细节上的改变。可以理解，在不脱离此处披露的和根据所附权利要求所理解的更广泛的概念范围内，可以对不同实施例的适应性描述做出各种改变。

Claims (7)

1.保护性气体纳米气泡发生装置，包括第一组件和第二组件；
所述第一组件包括用于容纳气体和混合气液两相的压力容器(610)，用于将液体输送至压力容器(610)的雾化喷嘴(640)，用于监测压力容器(610)内部压强的压力传感器(670)，用于将气体输送至压力容器(610)的气体输送管路，所述气体输送管路上设置有进气控制阀(660)；所述压力传感器(670)与进气控制阀(660)实行连锁控制；所述第一组件还包括：用于监测压力容器(610)内部液位高度的液位传感器(690)，与雾化喷嘴(640)连接的液体输送管路，所述液体输送管路上设置有进水控制阀(680)，所述液位传感器(690)与进水控制阀(680)实行连锁控制；
所述第二组件包括带有输送喷嘴(630)的与第一组件连接的管路，该输送喷嘴(630)由一个或多个毛细管(310)构成，或由夹在两个或多个板面(420)间的一个或多个通道(410)构成，且所述毛细管(310)或通道(410)至少在一个维度上的尺寸小于20mm。
2.根据权利要求1所述的保护性气体纳米气泡发生装置，其特征在于：所述第二组件中输送喷嘴(630)使用的是内直径在1微米至20毫米之间，优选在100微米至10毫米之间，最优选在0.5毫米至5毫米之间的毛细管(310)。
3.根据权利要求1所述的保护性气体纳米气泡发生装置，其特征在于：所述第二组件中使用的输送喷嘴(630)是板基喷嘴，由两个或多个板面(420)和夹在板面(420)间的通道(410)构成，所述通道(410)的截面轮廓是圆形、正方形、矩形、椭圆形、三角形等，且至少一个维度的尺寸范围在约1微米至20毫米之间，优选在约100微米至约10毫米之间，最优选在约0.5毫米至约5毫米。
4.根据权利要求1所述的保护性气体纳米气泡发生装置，其特征在于：所述压力容器(610)的绝对压强在0.15MPa至100MPa之间，优选在0.2MPa至20MPa之间，更优选在0.3MPa至10MPa之间。
5.根据权利要求1所述的保护性气体纳米气泡发生装置，其特征在于：所述毛细管(310)或通道(410)与液体接触的表面的固有液体接触角应小于60°、优选小于40°、最优选小于30°，从而允许液体浸润所述所述毛细管(310)或通道(410)的所述表面。
6.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的保护性气体纳米气泡发生装置，其特征在于：所述压力容器(610)内的气体是氮气、氦气、氩气或者其他不和反应物反应的气体。
7.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的保护性气体纳米气泡发生装置，其特征在于：所述第二组件中的毛细管(310)或板面(420)是由选自二氧化硅、硅酸盐玻璃、金属、合金、聚合物、陶瓷的材料制成。
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