CN113041868A - 一种含有微纳米气泡的液体的制备方法及制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有微纳米气泡的液体的制备方法及装置，方法包括：步骤一，制备具有运动速度的微液滴；步骤二，所述微液滴在气体中运动；以及步骤三，所述微液滴在作用场的作用下聚集并相互碰撞，并在碰撞过程中融合，同时，所述微液滴与所述气体相互作用形成双相结构；本发明的含有微纳米气泡的液体的制备方法及制备装置，功率小，能耗低；结构简单，制造成本相对较低，体积较小，易于微型化，易于推广；同时，通过本案的制备方法和制备装置得到的液体中的气泡具有较小的粒径。

Description

一种含有微纳米气泡的液体的制备方法及制备装置

技术领域

本发明涉及气液两相混合技术领域，尤其是一种含有微纳米气泡的液体的制备方法及制备装置。

背景技术

液体中存在的微小气泡，当气泡直径在100μm以下称作微米气泡，直径为100nm以下的气泡称为纳米气泡；微纳米气泡是指气泡发生时直径在数十微米到数百纳米之间的气泡，这种气泡是介于微米气泡和纳米气泡之间，具有常规气泡所不具备的物理与化学特性；含有微纳米气泡的液体，其潜在应用非常广泛，例如半导体晶圆的清洗、蔬菜瓜果的清洗消毒、污水处理等。

在液体中生成微纳米气泡通常有如下三种方法：第一种方法，先将气体加压溶解到液体中，然后通过喷嘴等结构突然释放压力，在液体中产生气泡，工程应用中，这种方法最常的工艺是：采用涡轮增压泵，一边吸入气体，一边将气体在叶轮中压入液体溶解，一边通过具有较大阻力的喷嘴将含有微纳米气泡的液体输出，通常这类装置的缺点是体积较大，难以微型化，而且能耗和噪音都很大；第二种方法，在液体内施加超声，通过超声空化效应来产生气泡，这种方法在实际应用中很少使用，其缺点是：当需要密集的气泡时，超声功率很大，液体被加热，能耗很高；第三种方法，将气体通过多孔的材料，在液体内鼓泡分散，再通过附加的作用（例如超声振动，液体剪切力等），使气泡快速脱离多孔材料，保持小的尺寸。这种方法虽然通常能耗不高，但是不太容易产生微小的气泡，因此需要寻找一种能够解决此类问题的方法。

发明内容

有鉴于此，需要克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个，本发明提供了一种含有微纳米气泡的液体的制备方法，包括以下步骤：步骤一，通过雾化模块制备得到具有运动速度的微液滴；步骤二，所述微液滴在气体中运动；以及步骤三，所述微液滴在作用场的作用下聚集并相互碰撞，并在碰撞过程中融合，同时，所述微液滴与所述气体相互作用形成双相结构。

根据本专利背景技术中对现有技术所述，传统的在液体中生成微纳米气泡的方法，要么难以微型化，而且能耗和噪音都很大，要么能耗很高，要么难以产生微小的气泡；而本发明公开的含有微纳米气泡的液体的制备方法，通过增材制造的思路来制备含有微纳米气泡的液体，采用表面带有气膜的微小液滴为原料，通过气、液滴的不断堆积融合来形成所需的含气泡液体，即、通过雾化模块制得微液滴，而微液滴被制造出来的同时，就会具备一定速度和动能；将微液滴在所需的气体中运动，让气体分子在范德华力的作用下吸附在微液滴表面，微液滴在作用场作用下逐渐聚焦，形成一定密度的微液滴群，微液滴、微液滴群相互碰撞、逐渐融合，同时，微液滴表面吸附的气体组分和/或气膜逐渐融合转化为微纳气泡，进而得到含有微纳米气泡的液体；本案在制备含有微纳米气泡的液体的过程中，仅雾化模块在制备微液滴时需要消耗功率，且其相对于现有技术中的超声空化等所需消耗的功率要小很多；而且只需雾化模块以及聚焦通道即可实现本案的制备方法，结构简单，制造成本相对较低，体积较小，易于微型化，易于推广；同时，通过本案的制备方法制备得到的液体中的气泡具有较小的粒径。

另外，根据本发明公开的一种含有微纳米气泡的液体的制备方法还具有如下附加技术特征：

进一步地，所述雾化模块可以为超声雾化模块、气力雾化模块、电喷射雾化模块等。

优选地，所述雾化模块采用微孔超声雾化模块。

进一步地，所述步骤二中，向所述微液滴通入聚焦气流，所述微液滴在所述聚焦气流的作用下在聚焦通道内聚焦。

更进一步地，所述聚焦通道的侧壁可以由气膜形成（即、气体壁），也可以是固体材质形成，例如容器壁等。

更进一步地，所述聚焦通道为微液滴进口大、出口小的聚焦通道。

更进一步地，所述聚焦通道为锥形通道。

进一步地，所述步骤二中，构成所述气体的组分吸附在所述微液滴的表面。

更进一步地，所述组分包括分子或原子等，所述分子或原子在分子间作用力的吸引下吸附在所述微液滴的表面。

进一步地，所述步骤三中，所述微液滴在作用场的作用下聚集并相互碰撞，并在碰撞过程中融合，同时，所述微液滴表面吸附的气体组分转化成所述微纳气泡，进而得到所述含有微纳米气泡的液体。

更进一步地，所述作用场为静电场或惯性力等。

进一步地，所述微液滴在碰撞过程中由内而外的逐层融合。

进一步地，所述微液滴的运动速度不小于10m/s。

进一步地，所述微液滴的粒径小于100um，以获得直径更小的气泡。

进一步地，所述微液滴为水或水溶液。

进一步地，所述微液滴为去离子水。

根据本发明的另一方面，还提供了一种基于上述的含有微纳米气泡的液体的制备方法的含有微纳米气泡的液体的制备装置，包括：聚焦通道、形成所述聚焦通道的侧壁以及输出端与所述聚焦通道连通的雾化模块，所述聚焦通道用于对所述雾化模块输入的微液滴进行聚焦。

所述聚焦通道还与聚焦气流源连通。

进一步地，采用直径为20mm的微孔式超声雾化片来发生微液滴，雾化片的微孔尺寸为3um，振动频率为113kHz；液体采用去离子水；将超声雾化片置于一个锥形的槽道（即、上述的聚焦通道）内，锥形出口直径为5mm；同时往槽道内通入100 mL/min的空气流，用于对微液滴群进行聚焦。在聚焦微液滴群的下方设置一个玻璃冲击板；具有一定速度的聚焦微液滴，先后冲击到玻璃板上进行融合，形成乳白色的液滴流。聚焦气流对于提高冲击的产率有很大帮助；当去除聚焦气流时，会有一部分微液滴散开，不能完全融合。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的实施例中含有微纳米气泡的液体的制备方法的工艺流程图；

图2为本发明的实施例中含有微纳米气泡的液体的制备装置的结构原理图；以及

图3为基于本发明的实施例中含有微纳米气泡的液体的制备方法并采用超声微孔雾化冲击式制备得到的含微纳气泡液体的效果图；

图4为本发明的测试例一中制备得到的液体的效果图；

图5为本发明的测试例二中制备得到的液体的效果图；以及

图6为本发明的测试例三中制备得到的液体的效果图。

其中，1为气膜，2为微液滴，3为含有微纳米气泡的液体，4为去离子水，5为聚焦气流，6为微孔式超声雾化片，7为惯性冲击板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件；下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“横”、“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的构思如下，提供一种含有微纳米气泡的液体的制备方法及制备装置，通过增材制造的思路来制备含有微纳米气泡的液体，采用表面带有气膜的微小液滴为原料，通过气、液滴的不断堆积融合来形成所需的含气泡液体，即、通过雾化模块制得微液滴，而微液滴被制造出来的同时，就会具备一定速度和动能；将微液滴在所需的气体中运动，让气体分子在范德华力的作用下吸附在微液滴表面，微液滴在作用场作用下逐渐聚焦，形成一定密度的微液滴群，微液滴、微液滴群相互碰撞、逐渐融合，同时，微液滴表面吸附的气体组分和/或气膜逐渐融合转化为微纳气泡，进而得到含有微纳米气泡的液体；本案在制备含有微纳米气泡的液体的过程中，仅雾化模块在制备微液滴时需要消耗功率，且其相对于现有技术中的超声空化等所需消耗的功率要小很多；而且只需雾化模块以及聚焦通道即可实现本案的制备方法，结构简单，制造成本相对较低，体积较小，易于微型化，易于推广；同时，通过本案的制备方法制备得到的液体中的气泡具有较小的粒径。

下面将参照附图来描述本发明的含有微纳米气泡的液体的制备方法图1为本发明的实施例中含有微纳米气泡的液体的制备方法的工艺流程图；图2为本发明的实施例中含有微纳米气泡的液体的制备装置的结构原理图；图3为基于本发明的实施例中含有微纳米气泡的液体的制备方法并采用超声微孔雾化冲击式制备得到的含微纳气泡液体的效果图；图4为本发明的测试例一中制备得到的液体的效果图；图5为本发明的测试例二中制备得到的液体的效果图；以及图6为本发明的测试例三中制备得到的液体的效果图。

如图1所示，根据本发明的实施例的含有微纳米气泡的液体的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，液体通过雾化模块制备得到具有运动速度的微液滴2；步骤二，所述微液滴2在气体中运动；以及步骤三，所述微液滴2在作用场的作用下聚集并相互碰撞，并在碰撞过程中融合，同时，所述微液滴2与所述气体相互作用形成双相结构。

根据本专利背景技术中对现有技术所述，传统的在液体中生成微纳米气泡的方法，要么难以微型化，而且能耗和噪音都很大，要么能耗很高，要么难以产生微小的气泡；而本发明公开的含有微纳米气泡的液体的制备方法，通过增材制造的思路来制备含有微纳米气泡的液体，采用表面带有气膜1的微小液滴为原料，通过气、液滴的不断堆积融合来形成所需的含气泡液体，即、通过雾化模块制得微液滴2，而微液滴2被制造出来的同时，就会具备一定速度和动能；将微液滴2在所需的气体中运动，让气体分子在范德华力的作用下吸附在微液滴2表面，微液滴2在作用场的作用下逐渐聚焦，形成一定密度的微液滴群，微液滴2、微液滴群相互碰撞、逐渐融合，同时，微液滴2表面吸附的气体组分和/或气膜1逐渐融合转化为微纳气泡，进而得到含有微纳米气泡的液体；本案在制备含有微纳米气泡的液体的过程中，仅雾化模块在制备微液滴2时需要消耗功率，且其相对于现有技术中的超声空化等所需消耗的功率要小很多；而且只需雾化模块以及聚焦通道即可实现本案的制备方法，结构简单，制造成本相对较低，体积较小，易于微型化，易于推广；同时，通过本案的制备方法制备得到的液体中的气泡具有较小的粒径。

另外，根据本发明公开的一种含有微纳米气泡的液体的制备方法还具有如下附加技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述雾化模块可以为超声雾化模块、气力雾化模块、电喷射雾化模块等。

优选地，所述雾化模块采用微孔超声雾化模块。

根据本发明的一些实施例，所述步骤二中，向所述微液滴2通入聚焦气流5，所述微液滴2在所述聚焦气流5中运动并在所述聚焦气流5的作用下在聚焦通道内聚焦。

根据本发明的一些实施例，所述聚焦通道的侧壁可以由气膜1形成（即、气体壁），也可以是固体材质形成，例如容器壁等。

根据本发明的一些实施例，所述聚焦通道为微液滴2进口大、出口小的聚焦通道。

根据本发明的一些实施例，所述聚焦通道为锥形通道。

根据本发明的一些实施例，所述步骤二中，构成所述气体的组分吸附在所述微液滴2的表面。

这些组分逐渐吸附到微液滴2表面，并逐渐融合形成气膜1，且该气膜1在微液滴2的运动过程中不断融合新的气体组分以及其他气膜1。

根据本发明的一些实施例，所述组分包括分子或原子等，所述分子或原子在分子间作用力的吸引下吸附在所述微液滴2的表面。

根据本发明的一些实施例，所述步骤三中，所述微液滴2在作用场的作用下聚集并相互碰撞，并在碰撞过程中融合，同时，所述微液滴2表面吸附的气体组分转化成所述微纳气泡，进而得到所述含有微纳米气泡的液体3。

根据本发明的一些实施例，所述步骤三中，所述微液滴2表面吸附的气体组分与气体组分之间、气膜与气膜之间、气体组分与气膜1之间不断融合转化成所述微纳气泡。

根据本发明的一些实施例，所述作用场为静电场或惯性力等。

根据本发明的一些实施例，所述微液滴2在碰撞过程中由内而外的逐层融合。

根据本发明的一些实施例，所述微液滴2的运动速度不小于10m/s。

根据本发明的一些实施例，所述微液滴2的粒径小于100um，以获得直径更小的气泡。

根据本发明的一些实施例，所述微液滴2为水或水溶液。

根据本发明的一个实施例，所述微液滴2为去离子水4。

如图2所示，根据本发明的另一方面，还提供了一种基于上述的含有微纳米气泡的液体的制备方法的含有微纳米气泡的液体的制备装置，包括：

聚焦通道以及输出端与所述聚焦通道连通的雾化模块，所述聚焦通道用于对所述雾化模块输入的微液滴2进行聚焦。

所述聚焦通道还与聚焦气流5源连通。

测试例一

设定所述微液滴2的运动速度大于10m/s，所述微液滴2的粒径小于100um，得到如图4所示乳白色的微纳米气泡。

测试例二

设定所述微液滴2的运动速度小于10m/s，所述微液滴2的粒径小于100um，得到如图5所示的液体，实验表明，在所述微液滴2的运动速度小于10m/s，所述微液滴2的粒径小于100um时，不能得到微纳米气泡。

测试例三

设定所述微液滴2的运动速度小于10m/s，所述微液滴2的粒径大于100um，得到如图5所示的液体，实验表明，在所述微液滴2的运动速度小于10m/s，所述微液滴2的粒径大于100um时，不能得到微纳米气泡。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，采用直径为20mm的微孔式超声雾化片6来发生微液滴2，雾化片的微孔尺寸为3um，振动频率为113kHz；液体采用去离子水4；将超声雾化片置于一个锥形的槽道（即、上述的聚焦通道）内，锥形出口直径为5mm；同时往槽道内通入100 mL/min的空气流，用于对微液滴群进行聚焦。在聚焦微液滴群的下方设置一个惯性冲击板7；具有一定速度的聚焦微液滴2，先后冲击到玻璃板上进行融合，形成乳白色的液滴流，如图3所示。聚焦气流5对于提高冲击的产率有很大帮助；当去除聚焦气流5时，会有一部分微液滴2散开，不能完全融合。

任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。

尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内；具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神；除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种含有微纳米气泡的液体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，制备具有运动速度的微液滴；

步骤二，所述微液滴在气体中运动；以及

步骤三，所述微液滴在作用场的作用下聚集并相互碰撞，并在碰撞过程中融合，同时，所述微液滴与所述气体相互作用形成双相结构。

2.根据权利要求1所述的一种含有微纳米气泡的液体的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，向所述微液滴通入聚焦气流，所述微液滴在所述聚焦气流的作用下在聚焦通道内聚焦。

3.根据权利要求1所述的一种含有微纳米气泡的液体的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，构成所述气体的组分吸附在所述微液滴的表面。

4.根据权利要求3所述的一种含有微纳米气泡的液体的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，所述微液滴在作用场的作用下聚集并相互碰撞，并在碰撞过程中融合，同时，所述微液滴表面吸附的气体组分转化成所述微纳气泡，进而得到所述含有微纳米气泡的液体。

5.根据权利要求1所述的一种含有微纳米气泡的液体的制备方法，其特征在于，所述微液滴在碰撞过程中由内而外的逐层融合。

6.根据权利要求1所述的一种含有微纳米气泡的液体的制备方法，其特征在于，所述微液滴的运动速度不小于10m/s。

7.根据权利要求1所述的一种含有微纳米气泡的液体的制备方法，其特征在于，所述微液滴的粒径小于100um。

8.根据权利要求1所述的一种含有微纳米气泡的液体的制备方法，其特征在于，所述微液滴为水或水溶液。

9.一种基于权利要求1-8中任意一项所述的含有微纳米气泡的液体的制备方法的含有微纳米气泡的液体的制备装置，其特征在于，包括：

聚焦通道以及输出端与所述聚焦通道连通的雾化模块，所述聚焦通道用于对所述雾化模块输入的微液滴进行聚焦。

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