CN113769599A - 一种快速简易制备纳米气泡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所使用微混合器无需运动部件，制备过程耗能低，但微腔体内能量密度耗散高，转化为气泡界面能的效率高。另外混合瞬时均一，因此所生成的气泡直径小、分布窄，处于纳米级。本发明方法安全、低能耗、设备简单、易于操作、可连续、制备速度快，所制备的纳米气泡具有尺寸小和单分散性优异的特点。

Description

一种快速简易制备纳米气泡的方法

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，特别涉及一种瞬时制备纳米气泡的方法。

背景技术

气泡是一种气体分散于液体或固体中所形成的多相分散体系。在常规气泡形成后，随时间会由于气泡间聚并或由于上浮所导致的外压下降而尺寸增大。此外，随着气泡在液体中尺寸的增大，气体在液体中的溶解度会急剧减小，从而导致气泡尺寸的自加速增大至微米级或更大。因此，常规气泡较难在液体里稳定悬浮而存在。

纳米气泡是由众多平均直径小于200nm的气泡分散于分散相中所组成的分散体系。纳米气泡因粒径小，布朗运动大，不易上浮，在液体里可以较长时间稳定存在。其具有大的比表面积，可以促进气液两相间的反应，并可大大增加气体在液体中气溶量。存在于容器等固液界面的纳米气泡可以降低液体在输运管道中的阻力，存在于液液或液固界面间的气体可以增强乳液液滴或悬浮液颗粒稳定性的作用。因此，在医疗、石化、水体净化、水产养殖、食品加工、灭菌等领域具有宽广的应用前景。

纳米气泡分散体系作为一种热力学非平衡态系统，并不会自发形成，需要有额外的有效能量输入。通过常规气体鼓泡的方法无法获得纳米气泡，常规方法通过采用爆气装置加压气体的方式将高压气体通入液体。爆气工艺需要提供高压气体，在加压气体的同时会产生大量热而浪费大量电能；过程需要特殊爆气耐高压装置，应用场景受限，且操作安全性不高。因此，爆气工艺的经济性、安全性不够，这些弊端阻碍了纳米气泡在更多领域的实际应用。而常规滴加搅拌法能量利用率低，只能形成微米级或更大的气泡，气泡的迅速上浮导致其直径自迅速加速增大。此外因为混合不均一，气泡的粒径大小分布较宽。本发明报道一种安全、低能耗、装置简单、易于操作、可连续、可快速制备尺寸小且单分散性的纳米气泡的制备新方法。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做简化或省略以避免使本部分、说明书摘要以及发明名称的目的不够清晰，然而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述及现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，针对上述现有技术的不足，本发明提供一种简单快速制备纳米气泡的新方法，该方法安全、低能耗、装置简单、易于操作、可连续，所制备的纳米气泡具有气泡尺寸小和单分散性优异的特点。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种快速简易制备纳米气泡的方法，其特征在于：包括，

将气体溶于液态溶液中，然后使该液态溶液与液态反溶剂同时高速流入微混合器的混合腔体中，两液体在腔体内充分混合；

液体在腔体内高速流动过程中出现真空化，同时气体在混合液体中溶解度瞬时下降达到过饱和，纳米级气泡继而析出；

纳米气泡漂浮在混合液体中，随混合液体从混合器出口流出，完成纳米气泡的制备。

作为本发明所述快速简易制备纳米气泡的方法的一种优选方案，其中：所述气体包括但不限于空气、氧气、二氧化碳、氮气、氢气、烯烃气体中的一种或几种。

作为本发明所述快速简易制备纳米气泡的方法的一种优选方案，其中：所述液态溶剂与液态反溶剂包括但不限于水、醇、酮、THF、DMF、DMSO能互相溶解的溶剂中的一种或几种。

作为本发明所述快速简易制备纳米气泡的方法的一种优选方案，其中：所述液态溶液与液态反溶剂，其中，

气体在液态溶液里的溶解度比在液态反溶剂里溶解度大。

作为本发明所述快速简易制备纳米气泡的方法的一种优选方案，其中：所述微混合器，为具有至少一个非敞开的混合腔体，混合腔体具有至少两个流入口和至少一个流出口；

其中至少有一个流入口流入溶解有气体的液态溶液，至少有一个流入口流入液态反溶剂，至少有一个流出口流出混合溶液。

作为本发明所述快速简易制备纳米气泡的方法的一种优选方案，其中：所述微混合器腔体的流入口至少存在一个液态溶液的流入口与一个液态反溶剂的流入口之间的间距不大于5.0mm。

作为本发明所述快速简易制备纳米气泡的方法的一种优选方案，其中：所述液体混合过程为具有高雷诺数的湍流混合，流入液体在混合腔体各流入口处的雷诺数总和不小于500。

作为本发明所述快速简易制备纳米气泡的方法的一种优选方案，其中：所述混合液体在腔体内混合的平均特征时间小于0.5秒。

本发明所示制备过程为：将气体溶于液态溶剂中，然后使该液态溶液与液态反溶剂同时高速流入混合器的闭合微腔体中，两液体能互相溶解，在腔体内湍流瞬时充分混合，液体在腔体内高速流动过程中出现真空空化，同时气体在混合液体中溶解度瞬时下降达到过饱和，纳米级气泡继而析出；纳米气泡漂浮在混合液体中，随混合液体从混合器出口流出，完成纳米气泡的制备。从流体流入混合腔体开始混合，到纳米气泡形成，可以短至数十毫秒之内，因此本发明将该方法命名为瞬时纳米气泡(Flash Nanobubbling，FNB)法，通过该方法所制备的纳米气泡具有液泡尺寸小和单分散性等优异的特点。

本发明所述微混合器具有至少一个非敞开的混合腔体，非敞开的空间受限混合腔体壁面作用于液体，有利于液体的混合；混合腔体流入口中至少存在一个液态溶液流入口与一个液态反溶剂的流入口之间的间距不大于5.0mm，间距小以确保流入流体之间能相互撞击；液体混合过程为具有高雷诺数的湍流混合，流入液体在混合腔体各流入口处的雷诺数总和不小于500；以上三点均有利于液体的混合，增强液体混合的强度、速率、均一性。另外，以上三点均有利于腔体内高流速差的产生，导致真空空化以及气泡析出。此外，以上三点均对混合液体有剧烈增压的效果，在高液压作用下气泡尺寸会被局限在很小的尺寸。

本发明所述混合过程中，混合腔体内液体混合的平均特征时间小于0.5秒，混合特征时间足够短以确保混合液体内气体瞬时达到过饱和，气泡产生速度快；溶剂与反溶剂在混合的过程中能迅速相互置换，气体在混合溶液内迅速达到过饱和，以上两点使液态溶剂与液体反溶剂瞬时相容而迅速产生气泡，以确保气泡尺寸小而均一。

本发明的有益效果：

本发明所使用混合器无需运动部件，制备过程耗能低，但微腔体内能量密度耗散高，转化为气泡界面能的效率高。另外混合瞬时均一，因此所生成的气泡直径小、分布窄，处于纳米级。本发明方法安全、低能耗、设备简单、易于操作、可连续、制备速度快，所制备的纳米气泡具有尺寸小和单分散性的优异特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为瞬时纳米气泡(FNB)法的过程示意图。

图2为常压25℃条件下，使用二氧化碳丙酮饱和溶液与水(体积比1：1)，通过FNB法制备的二氧化碳纳米气泡的粒径分布图(平均直径120nm，多分散系数0.3)。

图3为常压25℃条件下，使用二氧化碳英寸饱和溶液与水(体积比1：1)，通过FNB法制备的二氧化碳纳米气泡的粒径分布图(平均直径109nm，多分散系数0.3)。

图4为常压5℃条件下，使用氧气丙酮饱和溶液与水(体积比1：1)，通过FNB法制备的二氧化碳纳米气泡的粒径分布图(平均直径70nm，多分散系数0.3)。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明实施例中所用混合器的液态溶液的流入口与液态反溶剂的流入口之间的间距为5.0mm

本发明所用原料，若无特殊说明，均为普通市售。

实施例1：

FNB法制备二氧化碳纳米气泡，25℃常压条件下，使用二氧化碳的丙酮饱和液态溶液与液态反溶剂水(体积比1：1)。

取10mL丙酮以及10mL水，各超声脱气10分钟，除去丙酮以及水中溶解的空气。在25℃常压下，将二氧化碳气体通入丙酮鼓泡10分钟，获得二氧化碳的丙酮饱和溶液(溶解度592.6vol％)。用注射器抽取5mL饱和二氧化碳丙酮溶液与微混合器的一个流入口相连接，用另一注射器抽取5mL水与微混合器的另一个流入口相连接，同时以相同速度注射两液体入混合器。

两相液体在混合器腔体中充分湍流混合，二氧化碳在水中溶解度75.9vol％，因此在混合液中过饱而析出产生纳米气泡，所得纳米气泡分散液从混合器出口流出。

混合共耗时5秒，雷诺数＝9200。用容器收集获得10mL纳米气泡，并用动态光散射法对气泡粒径大小和分布进行测定，结果如图2所示，纳米气泡的平均直径为120nm，多分散系数PDI＝0.3，该二氧化碳纳米气泡的粒径较小，分布较窄，处于纳米级。

实施例2：

FNB法制备二氧化碳纳米气泡，25℃常压条件下，使用二氧化碳的乙醇饱和液态溶液与液态反溶剂水(体积比1：1)。

取10mL乙醇以及10mL水，各超声脱气10分钟，除去乙醇以及水中溶解的空气。在25℃常压下，将二氧化碳气体通入乙醇鼓泡10分钟，获得二氧化碳的乙醇饱和溶液(溶解度270.6vol％)。用注射器抽取5mL饱和二氧化碳乙醇溶液与微混合器的一个流入口相连接，用另一注射器抽取5mL水与微混合器的另一个流入口相连接，同时以相同速度注射两液体入混合器。

两相液体在混合器腔体中充分湍流混合，二氧化碳在水中溶解度75.9vol％，因此在混合液中过饱而析出产生纳米气泡，所得纳米气泡分散液从混合器出口流出。

混合共耗时5秒，雷诺数＝4700。用容器收集获得10mL纳米气泡，并用动态光散射法对气泡粒径大小和分布进行测定，结果如图3所示，纳米气泡的平均直径为109nm，多分散系数PDI＝0.3，该二氧化碳纳米气泡的粒径较小，分布较窄，处于纳米级。

实施例3：

FNB法制备氧气纳米气泡，5℃常压条件下，使用氧气的丙酮饱和液态溶液与液态反溶剂水(体积比1：1)。

取10mL丙酮以及10mL水，各超声脱气10分钟，除去丙酮以及水中溶解的空气。在5℃常压下，将氧气气体通入乙醇鼓泡10分钟，获得氧气的丙酮饱和溶液(溶解度>24.7vol％)。用注射器抽取5mL饱和氧气丙酮溶液与微混合器的一个流入口相连接，用另一注射器抽取5mL水与微混合器的另一个流入口相连接，同时以相同速度注射两液体入混合器。

两相液体在混合器腔体中充分湍流混合，氧气在水中溶解度4.3vol％，因此在混合液中过饱而析出产生纳米气泡，所得纳米气泡分散液从混合器出口流出。

混合共耗时5秒，雷诺数＝7000。用容器收集获得10mL纳米气泡，并用动态光散射法对气泡粒径大小和分布进行测定，结果如图4所示，纳米气泡的平均直径为70nm，多分散系数PDI＝0.3，该氧气纳米气泡的粒径较小，分布较窄，处于纳米级。

实施例4：

制备方法对比实验，滴加搅拌法制备二氧化碳纳米气泡，常压25℃条件下，使用二氧化碳的乙醇饱和液态溶液与液态反溶剂水(体积比1：1)。

取10mL丙酮以及10mL水，各超声脱气10分钟，除去丙酮以及水中溶解的空气。在25℃常压下，将二氧化碳气体通入丙酮鼓泡10分钟，获得二氧化碳的丙酮饱和溶液(溶解度592.6vol％)。取5mL饱和二氧化碳丙酮溶液，搅拌状况下滴加入5mL水中，耗时约1min，获得10mL气泡分散液并用动态光散射法对气泡粒径大小和分布进行测定，结果显示粒径超出动态光散射方法测定的有效上限(约2um)，出现大量肉眼可见上浮气泡，说明许多粒径远大于10um。因此，滴加搅拌法制备的该气泡远大于实施例1制备的二氧化碳纳米气泡。

本发明所使用混合器无需运动部件，制备过程耗能低，但微腔体内能量密度耗散高，转化为气泡界面能的效率高。另外混合瞬时均一，因此所生成的气泡直径小、分布窄，处于纳米级。本发明方法安全、低能耗、设备简单、易于操作、可连续、制备速度快，所制备的纳米气泡具有尺寸小和单分散性优异的特点。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种快速简易制备纳米气泡的方法，其特征在于：包括，

将气体溶于液态溶液中，然后使该液态溶液与液态反溶剂同时高速流入微混合器的混合腔体中，两液体在腔体内充分混合；

液体在腔体内高速流动过程中出现真空化，同时气体在混合液体中溶解度瞬时下降达到过饱和，纳米级气泡继而析出；

纳米气泡漂浮在混合液体中，随混合液体从混合器出口流出，完成纳米气泡的制备。

2.如权利要求1所述快速简易制备纳米气泡的方法，其特征在于：所述气体包括但不限于空气、氧气、二氧化碳、氮气、氢气、烯烃气体中的一种或几种。

3.如权利要求1所述快速简易制备纳米气泡的方法，其特征在于：所述液态溶液与液态反溶剂包括但不限于水、醇、酮、THF、DMF、DMSO能互相溶解的溶剂中的一种或几种。

4.如权利要求1或3所述快速简易制备纳米气泡的方法，其特征在于：所述液态溶液与液态反溶剂，其中，

气体在液态溶剂里的溶解度比在液态反溶剂里的溶解度大。

5.如权利要求1所述快速简易制备纳米气泡的方法，其特征在于：所述微混合器，为具有至少一个非敞开的混合腔体，混合腔体具有至少两个流入口和至少一个流出口；

其中至少有一个流入口流入溶解有气体的液态溶液，至少有一个流入口流入液态反溶剂，至少有一个流出口流出混合溶液。

6.如权利要求1或5所述快速简易制备纳米气泡的方法，其特征在于：所述微混合器腔体的流入口至少存在一个液态溶液的流入口与一个液态反溶剂的流入口之间的间距不大于5.0mm。

7.如权利要求1所述快速简易制备纳米气泡的方法，其特征在于：所述液体混合过程为具有高雷诺数的湍流混合，流入液体在混合腔体各流入口处的雷诺数总和不小于500。

8.如权利要求1所述快速简易制备纳米气泡的方法，其特征在于：所述混合液体在腔体内混合的平均特征时间小于0.5秒。

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