CN114560644A - 一种改性微纳米气泡水及其制备方法及混凝土 - Google Patents

Abstract

本申请涉及气泡水领域，具体公开了一种改性微纳米气泡水及其制备方法及混凝土，改性微纳米气泡水包括水、气泡和气泡稳定剂，且气泡是由气泡引发气制成，气泡引发气包括臭氧和空气，臭氧和空气的体积比为（0.8‑1.5）：1。本申请中的改性微纳米气泡水的制备方法简单，且可制得稳定性好的改性微纳米气泡水，其中的微纳米气泡的D50为200‑260nm，微纳米气泡水的稳定时间为144‑168h，本申请制得的微纳米气泡水可在实际应用领域中高效且持久发挥作用。

Description

一种改性微纳米气泡水及其制备方法及混凝土

技术领域

本申请涉及气泡水领域，更具体地说，它涉及一种改性微纳米气泡水及其制备方法及混凝土。

背景技术

微纳米气泡是指气泡发生时直径在数百纳米到10微米左右之间的气泡，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。

微纳米气泡的制造方法包括旋回剪切、加压溶解、电化学、微孔加压、混合射流等方式。微纳米气泡可用于水处理、医学及混凝土领域。

当微纳米气泡水中的微纳米气泡的粒径较大时，经过一段时间，大粒径微纳米气泡会因上浮在水面上而破裂，使微纳米气泡水不稳定，这将不利于微纳米气泡水后期高效发挥作用。因此，微纳米气泡水中微纳米气泡的稳定性有待于进一步提高。

发明内容

为了进一步提高微纳米气泡水的稳定性，本申请提供一种改性微纳米气泡水及其制备方法及混凝土。

第一方面，本申请提供的一种改性微纳米气泡水，采用如下的技术方案：

一种改性微纳米气泡水，包括水、气泡和气泡稳定剂，且气泡是由气泡引发气制成，气泡引发气包括臭氧和空气，臭氧和空气的体积比为(0.8-1.5)：1。

通过采用上述技术方案，经试验表明，当气泡经由臭氧和空气形成的气泡引发气形成后，平均粒径减小，D50大约在250nm左右，此时，微纳米气泡不易上浮，因此微纳米气泡不易因上浮而破裂，提高了微纳米气泡水的稳定性。

若气泡引发气中的臭氧量较多时，产生的微纳米气泡反而容易破裂，这可能是由于臭氧自身的氧化性较强，导致微纳米气泡更易因产生自由基而破裂，进而减弱了微纳米气泡水的稳定性。若气泡引发气中的空气量较多时，制得的微纳米气泡在水中容易上浮，因此更易破裂，导致制得的微纳米气泡水的稳定性较差。故合适体积比的臭氧和空气混合气体，有效提高了微纳米气泡水的稳定性。

由于微纳米气泡在后期放置过程中容易形成·OH，因此随着微纳米气泡水放置时间的延长，微纳米气泡的数量会逐渐降低，影响微纳米气泡水的稳定性。故在降低微纳米气泡粒径的基础上，加入气泡稳定剂，气泡稳定剂通过消除自由基的方式，起到自由基链终止的作用，进而使微纳米气泡之间不会相互影响，延长了微纳米气泡破裂的时间，进而有效提高微纳米气泡水的稳定性。

可选的，所述气泡稳定剂包括苯醌、异丙醇和乙醇。

通过采用上述技术方案，苯醌在乙醇的作用下与异丙醇充分混匀在水中，通过消除水中自由基的方式起到自由基链终止的作用，使微纳米气泡之间不易相互影响，使微纳米气泡不易破裂，苯醌和异丙醇相互配合，提高了微纳米气泡水的稳定性。

可选的，所述苯醌、异丙醇和乙醇的质量比为(0.05-0.08)：(0.1-0.15)：1。

通过采用上述技术方案，苯醌、异丙醇和乙醇的含量需要处于合适范围内，尤其是苯醌与异丙醇之间的配比，因为苯醌和异丙醇可优势互补，相互协同，若其中任意一者过量，均不利于高效提高微纳米气泡水的稳定性。

可选的，按重量份计，所述气泡稳定剂为0.8-1.2份，水为200-400份。

通过采用上述技术方案，气泡稳定剂的量合适时，可使气泡稳定剂在起到稳定微纳米气泡的作用基础上不易对整个微纳米气泡水产生影响，有助于微纳米气泡水后续的应用。当气泡稳定剂的量太少时，不足以起到使气泡不易破裂的作用，当气泡稳定剂的量太多时，对气泡的正向作用程度不会提升太多，反而提高了成本。

可选的，还包括阴离子表面活性剂0.03-0.05重量份，阴离子表面活性剂采用十二烷基磺酸钠、硬脂酸钠或者二辛基琥珀酸磺酸钠中的至少一种。

通过采用上述技术方案，十二烷基磺酸钠、硬脂酸钠及二辛基琥珀酸磺酸钠来源比较广泛且均能够显著降低气液界面的表面张力，进而有助于减小纳米气泡的粒径，也有助于增加微纳米气泡水的密度，使微纳米气泡不易上浮，进一步增加了微纳米气泡水的稳定性。

可选的，所述微纳米气泡的D50为200-260nm。

可选的，所述微纳米气泡水的稳定时间为144-168h。

通过采用上述技术方案，通过简单的方法制得气泡的D50较小，不易上浮，且存放时间较长的微纳米气泡水，有助于大幅提升微纳米气泡水的性能，进而有助于使微纳米气泡水在后续应用过程中充分发挥作用。

第二方面，本申请提供上述改性微纳米气泡水的制备方法，采用如下技术方案：一种改性微纳米气泡水的制备方法，包括以下步骤：

S1，向水中加入气泡稳定剂后搅拌，得初液；

S2，向S1中得到的初液中通入气泡引发气，臭氧和空气的流速比为(0.8-1.5)：1，通入气泡引发气的时间为5-8min，得中液；

S3，将S2中得到的中液放置60-90min，得终液。

通过向水中引入气泡引发气的方式制备微纳米气泡水，简单便捷，S2中，在以较佳速率通入气体的基础上，选择合适的通气时间，有助于使水中的气泡量处于合适范围，进而使相邻气泡之间保持一定的距离，在整个微纳米气泡水的制备及后期放置过程，相邻微纳米气泡之间均不易相互影响，有助于微纳米气泡水的稳定。

另外，在S3中，将中液放置合适时间，也是为了使中液中生成的较大粒径的微纳米气泡浮出水面而破裂，降低大粒径微纳米气泡对其余微纳米气泡的影响，进一步提高整个终液的稳定性。

可选的，所述S1中的水温、S2中的初液温度及S3中的中液温度均处于25-30℃。

通过采用上述技术方案，在微纳米气泡水的整个制备过程中，保持水温始终处于较低温度时，有助于降低微纳米气泡在水中的运动速率，增加微纳米气泡在水中的存在时间，进而增加微纳米气泡水的稳定性。

第三方面，本申请提供一种混凝土，包括上述第一方面中的任意一项改性微纳米气泡水或者通过第二方面中的任意一项制备方法制得的微纳米气泡水。

通过采用上述技术方案，将上述改性微纳米气泡水加入至混凝土中，能够加快水泥水化反应，增加混凝土的早期强度，且由于微纳米气泡水中的气泡在混凝体土中起到滚珠润滑作用，可增加整个混凝土的和易性，也可使制得的混凝土具有较高的抗压强度。

综上所述，本申请具有以下至少一项有益效果：

1、通过向初液中通入合适量的气泡引发气，使微纳米气泡水中的微纳米气泡的D50较小，微纳米气泡不易上浮，因此微纳米气泡不易因上浮而破裂，提高了微纳米气泡水的稳定性；

2、通过向水中加入苯醌、异丙醇和乙醇时，苯醌和异丙醇相互配合，通过消除自由基的方式有效提高了微纳米气泡水的稳定性；

3、通过加入阴离子表面活性剂，降低气液界面的表面张力，减小微纳米气泡的粒径，进一步增加了微纳气泡水的稳定性；

4、通过本申请的制备方法能够便捷制得稳定时间为144-168h的微纳米气泡水，微纳米气泡的D50为200-260nm。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料，除特殊说明外均可来源于普通市售。

实施例

实施例1

微纳米气泡水的制备方法如下：

S1，向400kg水中加入1.2kg异丙醇，在60r/min的搅拌速度下搅拌均匀，得初液；

S2，向S1中得到的初液中通入8min臭氧和空气，其中，臭氧的流速为13.5L/min，空气的流速为9L/min，得中液；

S3，将S2中得到的中液放置90min，得终液。

上述S1中的水温、S2中的初液温度及S3中的中液温度均处于30℃，上述步骤通过微纳米气泡曝气器进行操作。

实施例2

微纳米气泡水的制备方法如下：

与实施例1的不同之处在于，S1中，向400kg水中加入0.5kg苯醌和0.7kg乙醇，在60r/min的搅拌速度下搅拌均匀，得初液，其余步骤均与实施例1相同。

实施例3

微纳米气泡水的制备方法如下：

与实施例1的不同之处在于，S1中，向400kg水中加入0.4kg苯醌、0.4kg异丙醇和0.4kg乙醇，在60r/min的搅拌速度下搅拌均匀，得初液，其余步骤均与实施例1相同。

实施例4

微纳米气泡水的制备方法如下：

与实施例1的不同之处在于，S1中，向400kg水中加入0.08kg苯醌、0.14kg异丙醇和0.98kg乙醇，在60r/min的搅拌速度下搅拌均匀，得初液，其余步骤均与实施例1相同。

实施例5

微纳米气泡水的制备方法如下：

与实施例1的不同之处在于，S1中，向400kg水中加入0.08kg苯醌、0.14kg异丙醇、0.98kg乙醇和0.05kg硬脂酸钠，在60r/min的搅拌速度下搅拌均匀，得初液，其余步骤均与实施例1相同。

实施例6

微纳米气泡水的制备方法如下：

S1，向300kg水中加入0.05kg苯醌、0.11kg异丙醇、0.84kg乙醇和0.02kg硬脂酸钠和0.02kg二辛基琥珀酸磺酸钠，在60r/min的搅拌速度下搅拌均匀，得初液；

S2，向S1中得到的初液中通入7min臭氧和空气，其中，臭氧的流速为10L/min，空气的流速为10L/min，得中液；

S3，将S2中得到的中液放置80min，得终液。

上述S1中的水温、S2中的初液温度及S3中的中液温度均处于28℃，上述步骤通过微纳米气泡曝气器进行操作。

实施例7

微纳米气泡水的制备方法如下：

S1，向200kg水中加入0.03g苯醌、0.07kg异丙醇、0.7kg乙醇和0.01kg硬脂酸钠、0.01kg二辛基琥珀酸磺酸钠和0.01kg十二烷基磺酸钠，在60r/min的搅拌速度下搅拌均匀，得初液；

S2，向S1中得到的初液中通入5min臭氧和空气，其中，臭氧的流速为8L/min，空气的流速为10L/min，得中液；

S3，将S2中得到的中液放置60min，得终液。

上述S1中的水温、S2中的初液温度及S3中的中液温度均处于25℃，上述步骤通过微纳米气泡曝气器进行操作。

对比例

对比例1

微纳米气泡水的制备方法如下：

向置于微纳米气泡曝气器中的300kg水中通入10min空气，且空气的流速为30L/min，之后放置20min，得终液，整个过程中，水的温度均处于30℃。

对比例2

微纳米气泡水的制备方法如下：

与实施例1的不同之处在于，S2中只通入臭氧，且臭氧的流速为13.5L/min。

对比例3

微纳米气泡水的制备方法如下：

与实施例1的不同之处在于，S2中只通入臭氧，且臭氧的流速为22.5L/min。

对比例4

与实施例1的不同之处在于，S2中臭氧的流速为18L/min，空气的流速为4.5L/min。

对比例5

微纳米气泡水的制备方法如下：

与实施例1的不同之处在于，S2中臭氧的流速为7.5L/min，空气的流速为15L/min。

对比例6

微纳米气泡水的制备方法如下：

与实施例1的不同之处在于，S1中未加入异丙醇。

对比例7

微纳米气泡水的制备方法如下：

与实施例1的不同之处在于，未进行S3。

性能检测试验

1.纳米气泡粒径测定

测定实施例1-7及对比例1-7中制得的微纳米气泡水中的气泡粒径，具体测试方法如下：在20℃条件下采用动态光散射以90°的散射角(DLS，MalvernZetasizerNanoZS90)测量体相纳米气泡的粒径。设定气泡的折射率(RefactiveIndex)与空气一致为1，水的折射率为1.33。每组试样结果重复测定3次，取平均值作为最终值。计算结果见表1。

二、·OH生成速率的测定

采用EPR波谱仪测定实施例1-7及对比例1-7中制得的微纳米气泡水中的·OH含量，具体操作步骤如下：

(1)配制1mol/L DMPO溶液：使用移液枪取113.16mg经低温密封保存的DMPO溶液，并迅速溶于1mL超纯水中，于-20℃的温度下避光冷冻储存备用。

(2)将实施例1-7及对比例1-7中制得的微纳米气泡水迅速与(1)中的DMPO溶液充分混合，用EPR进行OH浓度的定量分析。

EPR波谱仪的操作条件为：中心磁场为3480G；扫场宽度为100G；扫描时间为57.02s；g因子为2.0000；调制幅度为1G；扫描次数为3；微波衰减为9dB；微波功率为25.18mW；微波频率为9.83GHz；扫描点数为1400；时间常数为40.96ms。

由于溶液中DMPO-0H的浓度与曝气时间近似成正比关系，故通过直线斜率求得·OH的生成速率，实施例1-7及对比例1-7中制得的微纳米气泡水的·OH生成速率数据见表1(实施例1-7及对比例1-7中模拟得到的线性方程的相关系数R均为0.98以上)。

三、稳定性的测定

将实施例1-7及对比例1-7中制得的微纳米气泡水注入到细观观测系统的模型箱中，每隔1小时拍摄视野范围内的微纳米气泡的数量，直至微纳米气泡完全消失，记录微纳米气泡完全消失的时间。

表1.实施例1-7及对比例1-7中制得的微纳米气泡水的性能数据

由表1可得，上述实施例1-7和对比例1(传统制备微纳米气泡水的方式)相比，可以看出，在本申请范围内的制备方法均获得了D50小、且稳定性好的微纳米气泡水(微纳米气泡的D50为200-260nm，微纳米气泡水的稳定时间为144-168h)，相较于传统技术，通过本申请制得的微纳米气泡水由于D50小，不易上浮，且不易形成自由基，进而不易破裂，稳定性良好，有助于后期应用过程中高效发挥作用。

比较实施例1-3的数据可知，当苯醌、异丙醇和乙醇是相互配合作用的，当只加入异丙醇或者只加入苯醌及乙醇时，制得的微纳米气泡水并不稳定，且气泡的D50相对较大。再结合对比例6的数据可知，苯醌、乙醇及异丙醇对微纳米气泡的D50影响较小，但对微纳米气泡水中·OH生成速率的影响较大，当不加入苯醌、异丙醇及乙醇时，制得的微纳米气泡水的稳定性较差(仅可放置100h)。

再进一步分析实施例3和实施例4的数据可知，当苯醌、异丙醇和乙醇的含量均在合适范围内时，制得的微纳米气泡水·OH的生成速率进一步降低，进而有助于整个微纳米气泡水的稳定。

再分析实施例4和实施例5-7的数据可知，当向水中加入阴离子表面活性剂时，可进一步促进微纳米气泡水的稳定性，且有助于使气泡的D5O处于更合适的范围。

通过比较实施例1和对比例2-3的数据可知，当气泡引发气只有臭氧时，制得的微纳米气泡水的性能并不是很好，即使与实施例1中通入的气泡引发气的总量相同(对比例3)，达到的效果却远远不如实施例1，这说明在制备微纳米气泡水时，气泡引发气的类型对微纳米气泡水的影响较大。当单纯依靠臭氧起泡，会导致整个微纳米气泡水中·OH生成速率较高，进而使微纳米气泡水中的微纳米气泡容易破裂，整个微纳米气泡水不再稳定，可以存放的时间较短。

比较实施例1和对比例4-5可知，气泡引发气中空气及臭氧的配料比对微纳米气泡水性能的影响较大，任何一者过量均不利于微纳米气泡水的稳定，这可能是由于空气及臭氧共同影响微纳米气泡的性能。

值得一提的是，通过比较实施例1和对比例8的数据可知，S3中将S2中得到的中液放置一段时间有助于大幅提升微纳米气泡水的稳定性，虽然S3对微纳米气泡水中·OH生成速率影响较小，但是却能直接影响到微纳米气泡水的稳定性，初步推测是由于当初步制得的微纳米气泡水多不经过放置，较大粒径的微纳米气泡无法及时逸出，从而导致在后续操作工程中，大粒径气泡在水中破裂，影响到其余气泡的稳定性，进而使整个微纳米气泡水的稳定性变差。

四、应用例

取20kg水泥、8.3kg粉煤灰、8kg矿粉、16kg水和0.83kg聚羧酸类减水剂和4kg实施例1-7中制得的微纳米气泡水，在60r/min的搅拌速度下搅拌10min后，依次得1-7#混凝土测试品，测定1-7#混凝土测试品的抗压强度，抗压强度均在35Mpa以上，具体实验数据见表2。由此可见，在制备混凝土的过程中，能够提升混凝土的使用性能，使混凝土的适用性强。

表2.实施例1-7#混凝土测试品的抗压强度

综上所述，实施例1-7制备的微纳米气泡水性能较好，通过调整合适配比的气泡引发气及加入合适配比的气泡稳定剂，并通过合理的制备步骤能够制得气泡D50小且稳定性高的微纳米气泡水，利于微纳米气泡水后期在制备混凝土等方面高效发挥作用。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种改性微纳米气泡水，其特征在于：包括水、气泡和气泡稳定剂，且气泡是由气泡引发气制成，气泡引发气包括臭氧和空气，臭氧和空气的体积比为（0.8-1.5）：1。

2.根据权利要求1所述的一种改性微纳米气泡水，其特征在于：所述气泡稳定剂包括苯醌、异丙醇和乙醇。

3.根据权利要求2所述的一种改性微纳米气泡水，其特征在于：所述苯醌、异丙醇和乙醇的质量比为（0.05-0.08）：（0.1-0.15）：1。

4.根据权利要求1所述的一种改性微纳米气泡水，其特征在于：按重量份计，所述气泡稳定剂为0.8-1.2份，水为200-400份。

5.根据权利要求4所述的一种改性微纳米气泡水，其特征在于：还包括阴离子表面活性剂0.03-0.05重量份，阴离子表面活性剂采用十二烷基磺酸钠、硬脂酸钠或者二辛基琥珀酸磺酸钠中的至少一种。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种改性微纳米气泡水，其特征在于：所述微纳米气泡的D50为200-260nm。

7.根据权利要求6所述的一种改性微纳米气泡水，其特征在于：所述微纳米气泡水的稳定时间为144-168h。

8.权利要求1-7任一所述的改性微纳米气泡水的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，向水中加入气泡稳定剂后搅拌，得初液；

S2，向S1中得到的初液中通入气泡引发气，臭氧和空气的流速比为（0.8-1.5）：1，通入气泡引发气的时间为5-8min，得中液；

S3，将S2中得到的中液放置60-90min，得终液。

9.根据权利要求8所述的一种改性微纳米气泡水的制备方法，其特征在于：所述S1中的水温、S2中的初液温度及S3中的中液温度均处于25-30℃。

10.一种混凝土，其特征在于：包括权利要求1-7任一所述的一种改性微纳米气泡水或者采用权利要求8-9任一所述的制备方法制得的改性微纳米气泡水。