WO2016119086A1 - 气液混合系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种气液混合系统及方法，该系统包括水磁化机构和气液混合机构，气液混合机构的进水口通过管路连接水磁化机构的输出端。该方法包括以下步骤：将水体磁化后，气体和磁化水按照一定的比例进入气液混合机构，实现气液混合。

Description

气液混合系统及方法

技术领域
本发明涉及特种水溶液的制取领域，具体地说是用于农业的一种气液混合系统及方法。
背景技术
在农业生产中，需要臭氧水等气液混合形成的溶液进行浇灌，大量非易容性气体溶于液体是以气泡形式存在，如空气、臭氧、氧气等。根据Stokes定律，气泡在水中的上升速度与气泡直径的平方成正比，通常情况下肉眼可见的宏观气泡在1米深的水中所停留的时间不超2秒，气泡破灭后非易容性气体立即溢出液体，从液面向空气中溢出，故而气泡直径越大气液混合溶液中气体成分的保持时间越短，发生作用的概率越低，导致传统宏观气泡效率低下。
这几年的实验研究发现，当气泡尺度减小到微米甚至纳米级别时，气泡在水中停留时间变长，从而气液混合溶液中气体成分的保持时间越长，发生作用的概率越长，效率大幅提升，并且气泡的比表面积大增加，其表面特性占主导地位，气体成分溶于液体的效率大幅提高，气液混合溶液中气体成分的浓度大幅提升，效率可提高70%以上。
目前，在现有气液混合技术中，以微纳米气泡生成技术为代表的超微气泡气液混合技术，具有成本低、体积小、效率高的特点，已逐渐成为最有发展潜力的气液混合技术。但是由于超微气泡气液混合技术是通过内部高速回旋产生微小气泡，实现增加气液混合比例，一旦脱离超微气泡气液混合装置，微小气泡立刻开始破裂，水体中的气体随之迅速溢出，所以超微气泡气液混合技术制取的气液混合溶液极其不稳定，在常温下几分钟内溶液中气体物质浓度即大幅减少，这样的溶液对于农业防治病虫害、污染土壤修复等大量需要长期稳定气液混合溶液的应用是无效的，严重制约了臭氧水、高富氧水等绿色环保型农药

替代技术的应用推广。

发明内容

本发明提供了一种气液混合系统及方法，可以对水体进行磁化处理，实现大量磁化微气泡的产生，提高气体溶解效率，同时保证所制取的气液混合溶液具有磁化水效果，保证所制取的气液混合溶液具有较长的浓度半衰期。

本发明采用以下技术方案：气液混合系统，包括水磁化机构和气液混合机构，所述的气液混合机构的进水口通过管路连接水磁化机构的输出端。

进一步的，所述的水磁化机构包括塑料内管，所述塑料内管的外部包覆有磁铁。

进一步的，所述磁铁的磁力强度为1000-80000高斯。

进一步的，所述的气液混合机构为以下装置中的一种或多种：气泡发生器、气液混合设备。

进一步的，所述的气泡发生器为以下装置中的一种：微气泡发生器、纳米气泡发生器、微小气泡发生器、微纳米泡沫发生器。

进一步的，所述的气液混合设备为以下装置中的一种：气液混合泵、射流器、静态混合器。

进一步的，该系统还包括水冷却机构，所述水冷却机构的输出端连接水磁化机构的输入端。

进一步的，所述的水冷却机构包括一个或多个直流冷却水设备。

基于上述的系统，提供了一种气液混合方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：将水体磁化后，气体和磁化水按照一定的比例进入气液混合机构，实现气液混合。

进一步的，同时吸入气液混合机构的气体流量与管道内的水体流量的流量控制比例关系为：水体流量/气体流量＝N，85＞N＞1.25。

本发明的有益效果是：

1、通过安装在气液混合机构前端的水磁化机构实现对水体的磁化，经过磁化的水体分子结构发生改变，其对气体的溶解率大幅提高，例如经过磁化的水体对臭氧气体的溶解 率是未经过磁化水体溶解率的2-3倍，这样大幅增加了磁化水进入气液混合机构后，经过高速回旋形成微小气泡实现的气液混合效果，可有效避免形成大气泡溢出的情形，在最佳水体温度下，有效提高气体的溶解率。

2、经过气液混合机构的处理，磁化水具有了更强的分子间隙，对水体中的气体具有更强的吸附能力，使混合溶液在脱离气液混合机构后，仍然保持较稳定的浓度，一旦微小气泡在常温下破裂，其中含有的气体成分也会被立即被具有较大分子间隙的磁化水体所吸附，使气体成分不会脱离水体，避免造成混合溶液在脱离气液混合机构后，水体中的气体成分迅速溢出水体，浓度迅速下降的情况。

3、经过磁化处理后的水体，对植物、动物生长具有很大的促进生长的作用。

4、通常水温越低气液混合效果越好，因此本专利提出根据实际应用需要通过控制水温，尽量降低水温，以增强气液混合效果。

5、根据实际需求和实验，计算出了气体和水体的流速比例，充分利用了磁化水的溶解效率，大大提高了气液混合效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统原理结构框图；

图2为本发明实施例2的系统原理结构框图；

图3为本发明实施例3的系统原理结构框图；

图4为本发明实施例4的系统原理结构框图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的气液混合系统，包括水磁化机构和气泡发生器，水磁化机构通过管路与气泡发生器的进水口连接。其中，气泡发生器为一个或多个，多个气泡生成器并联设置。所述的水磁化机构包括塑料内管，塑料内管外包覆有磁力强度为1000--80000高斯的磁铁。

所述的气泡发生器为以下装置中的一种：微气泡发生器、纳米气泡发生器、微小气泡发生器、微纳米泡沫发生器。它们的工作原理分别为：

1)微气泡发生器：

工作原理：

液体通过喷嘴喷出，气体由吸气管吸入接受室，由于射流边界层与接受室气体间的粘滞作用，气体被吸入液体中。射流与气体的相互作用和喷嘴表面粗糙度等影响，使射流表面形成波状，随着这种表面波的发展，导致射流破裂而成为液滴液体，液滴以高速冲撞压缩气体，并将气体粉碎成微小气泡，此时液滴又重新聚合成为含气泡的乳状混合液。

使用效果：

形成的气泡直径为100μm到500μm，溶解效率可达15～20％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为10-20PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为20分钟，但是制取流量较小，制取成本较高。

2)纳米气泡发生器：

工作原理：

纳米气泡发生器主要通过高速剪切、搅拌等方式把气体反复剪切破碎，混合在水体中可以稳定的产生大量的微气泡。相比于气体气液混合方式，纳米气泡发生器具有能耗较低、微气泡发生效率较高，且不会对水体造成二次污染。

使用效果：

形成的气泡直径为1nm到50nm，溶解效率可达80～100％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为40-80PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为120分钟。

纳米气泡具有气泡尺寸小、比表面积大、吸附效率高、在水中上升速度慢等特点。在水中通入微纳米气泡，可有效分离水中固体杂质、快速提高水体氧浓度、杀灭水中有害病菌、降低固液界面摩擦系数，从而在气浮净水技术、水体增氧、臭氧水消毒和微纳气泡减阻等领域中应用中比宏观气泡有更高的效率，应用前景也更为广阔。

纳米气泡发生器形成的水气混合液静置情况下从浑浊到澄清时间至少为120分钟。但是纳米气泡发生器需要使用大功率高转速电机实现高速剪切搅拌，设备的制造要求较高，加工难度较大，成本较高。

3)微小气泡发生器

工作原理：

微小气泡发生器主要通过加压使空气溶解在水里，然后减压释气，空气重新从水中释放出来，产生大量微细气泡。使用溶解释气法产生微细气泡，耗能较小，产量大。

使用效果：

溶解效率可达40～60％，得到的微气泡直径为5μm到30μm。微小气泡发生器对设备的要求较低，加工简单.但该方法的难点在于通过流道设计和系统控制提高溶气释气效率，稳定性能差，产生微气泡的效率较低、功耗较大，不利于在实际生产中推广使用。

4)微纳米泡沫发生器

工作原理：

利用散气叶轮的高速旋转在水中形成一个真空区，液面上的气体通过输气管进入水中去填充并切割，微气泡随之产生，并螺旋型地上升到水面，气体也随之进入了水中。

使用效果：

形成的气泡直径为0.01-1.6微米，溶解效率可达50～70％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为30-45PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为50分钟。

因此，使用微纳米泡沫发生装置，具有成本低廉，体积小、能耗低、制取流量大的特点，但是容易造成管道堵塞，制取浓度及稳定性较差。

实施例1所对应的气液混合方法为：

第一步：外部水泵启动后，通过管道将水体以一定流速送至水磁化机构；水体在以每秒0.5-3.5米的流速经过水磁化机构过程中，水磁化机构外置磁铁形成的磁场磁力线垂直切割以一定流速通过水磁化机构塑料内管的水体，完成对水体的磁化，形成磁化水进入气泡生成机构进水端口。其中，所述水磁化机构外置磁铁形成的磁场强度要求达到0.1-1.8特斯拉。

第二步：根据管道内的水体流量，气泡生成器同时吸入一定流量的气体与进入气泡生成器的磁化水进行气液混合，气泡生成器对混合液进行高速回旋至产生微小气泡，至此完 成气液混合。所述气泡生成器吸入的气体包括臭氧、氧气、氯气、空气，其中任意一种或多种混合气体。所述气泡生成器同时吸入的气体流量与管道内的水体流量的流量控制比例关系为：水体流量/气体流量＝N，85＞N＞1.25。

实施例2

如图2所示的气液混合系统，包括水磁化机构和气液混合设备，水磁化机构通过管路与气液混合设备的进水口连接。其中，气液混合设备为一个或多个，多个气液混合设备并联设置。所述的水磁化机构包括塑料内管，塑料内管外包覆有磁力强度为1000--80000高斯的磁铁。

所述的气液混合设备为以下装置中的一种：气液混合泵、射流器、静态混合器。它们的工作原理分别为：

1)气液混合泵

工作原理：

气液混合泵的吸入口可以利用负压作用吸入气体，高速旋转的泵叶轮将液体与气体混合搅拌，形成微气泡泡混合液。同时通过泵内的加压混合，气体与液体充分溶解，气液比约为1∶9(吸气量为8-10％)，串联使用可以增加吸气量。一台气液混合泵即可进行气液吸引、混合、溶解并直接将高度溶解液送至使用点。

使用效果：

形成的气泡直径为20-30μm，溶解效率可达30～50％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为20-35PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为30分钟。

因此，使用气液混合泵，可以提高溶气液制取效率、简化制取装置、节省场地，但是气液混合泵设备的制造要求较高，加工难度较大，投入成本大、功耗较大。

2)射流器

工作原理：

射流器(气液混合腔)又称水射器，它是由喷嘴、吸入室、扩压管三部分组成，是利用射流负压原理发展起来的一种多用途曝气方式，独特的混合气室设计，强劲的水流与空气 混合喷射，使搅拌均匀、完全，采用射流形式的曝气设备氧的转化率一般低于10％。

使用效果：

形成的气泡直径为0.1-0.01mm，溶解效率可达5～10％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为10-15PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为10分钟。

因此，使用射流器，具有成本低廉，体积小、能耗低、制取流量大的特点，但是容易造成管道堵塞，制取浓度及稳定性较差。

3)静态混合器

工作原理：

一种没有运动部件的高效混合设备，其基本工作机理是利用固定在管内的混合单元体改变流体在管内的流动状态，以达到不同流体之间良好分散和充分混合的目的。

让流体在管线中流动冲击各种类型板元件，增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流，层流时是“分割-位置移动-重新汇合”，湍流时，流体除上述三种情况外，还会在断面方向产生剧烈的涡流，有很强的剪切力作用于流体，使流体进一步分割混合，最终混合形成所需要的乳状液。

静态混合器的混合过程是由一系列安装在空心管道中的不同规格的混合单元进行的。由于混合单元的作用，使流体时而左旋，时而右转旋，不断改变流动混合机方向，不仅将中心流体推向周边，而且将周边流体推向中心，从而造成良好的径向混合效果。与此同时，流体自身的旋转作用在相邻组件连接处的接口上亦会发生，这种完善的径向环流混合作用，使物料获得混合均匀的目的。静态混合器是一种没有运动的高效混合设备，通过固定在管内的混合单元内件，使二股或多股流体产生切割、剪切、旋转和重新混合，达到流体之间良好分散和充分混合的目的。

使用效果：

形成的宏观气泡直径为0.01-0.001mm，溶解效率可达7～12％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为10-20PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为15分钟。

因此，使用静态混合器，具有成本低廉，体积小、能耗低、制取流量大的特点，但是 容易造成管道堵塞，制取浓度及稳定性较差。

实施例2所对应的气液混合方法为：

第一步：外部水泵启动后，通过管道将水体以一定流速送至水磁化机构；水体在以每秒0.5-3.5米的流速经过水磁化机构过程中，水磁化机构外置磁铁形成的磁场磁力线垂直切割以一定流速通过水磁化机构塑料内管的水体，完成对水体的磁化，形成磁化水进入气泡生成机构进水端口。其中，所述水磁化机构外置磁铁形成的磁场强度要求达到0.1-1.8特斯拉。

第二步：根据管道内的水体流量，气泡生成器同时吸入一定流量的气体与进入气泡生成器的磁化水进行气液混合，气泡生成器对混合液进行高速回旋至产生微小气泡，至此完成气液混合。所述气泡生成器吸入的气体包括臭氧、氧气、氯气、空气，其中任意一种或多种混合气体。所述气泡生成器同时吸入的气体流量与管道内的水体流量的流量控制比例关系为：水体流量/气体流量＝N，85＞N＞1.25。

实施例3

如图3所示的气液混合系统，包括水磁化机构、气液混合设备和气泡发生器，水磁化机构通过管路与气泡发生器的进水口连接，气泡发生器的出水口通过管路连接气液混合设备的进水口。其中，气泡发生器和气液混合设备一一对应，可以设置多个。所述的水磁化机构包括塑料内管，塑料内管外包覆有磁力强度为1000--80000高斯的磁铁。所述的气泡发生器为以下装置中的一种：微气泡发生器、纳米气泡发生器、微小气泡发生器、微纳米泡沫发生器。所述的气液混合设备为以下装置中的一种：气液混合泵、射流器、静态混合器。

实施例3所对应的气液混合方法为：

第一步：通过管道将水体以每秒0.5-3.5米的流速送至水磁化机构；水体在以一定流速经过水磁化机构过程中，水磁化机构外置磁铁形成的磁场磁力线垂直切割以一定流速通过水磁化机构塑料内管的水体，完成对水体的磁化，形成磁化水并通过管路进入气泡发生器进水口。

第二步：根据管道内的水体流量，气泡发生器同时吸入一定流量的气体与进入微纳米气泡生成器的磁化水进行气液混合，气泡发生器对混合液进行高速回旋至产生微气泡，进行初步气液混合，形成气液混合溶液，通过管路进入气液混合设备进水口。吸入的气体包括臭氧、氧气、氯气、空气，其中任意一种或多种混合气体。吸入的气体流量与管道内的水体流量的流量控制比例关系为水体流量/气体流量＝M*1000，125＞M＞1.6。

第三步：根据管道内的水体流量，气液混合设备同时吸入一定流量的气体与进入气液混合设备的磁化水进行再次气液混合，至此完成气液混合。吸入的气体包括臭氧、氧气、氯气、空气，其中任意一种或多种混合气体。吸入的气体流量与管道内的水体流量的流量控制比例关系为水体流量/气体流量＝N，150＞N＞15。

实施例4

如图4所示的气液混合系统，包括水磁化机构、气液混合设备和气泡发生器，水磁化机构通过管路与气液混合设备的进水口连接，气液混合设备的出水口通过管路连接气泡发生器的进水口。其中，气泡发生器和气液混合设备一一对应，可以设置多个。所述的水磁化机构包括塑料内管，塑料内管外包覆有磁力强度为1000--80000高斯的磁铁。所述的气液混合设备为以下装置中的一种：气液混合泵、射流器、静态混合器。所述的气泡发生器为以下装置中的一种：微气泡发生器、纳米气泡发生器、微小气泡发生器、微纳米泡沫发生器。

实施例4所对应的气液混合方法为：

第一步：通过管道将水体以每秒0.5-3.5米的流速送至水磁化机构；水体在以一定流速经过水磁化机构过程中，水磁化机构外置磁铁形成的磁场磁力线垂直切割以一定流速通过水磁化机构塑料内管的水体，完成对水体的磁化，形成磁化水并通过管路进入气泡发生器进水口。

第二步：根据管道内的水体流量，气液混合设备同时吸入一定流量的气体与进入气液混合设备的磁化水进行气液混合，气液混合设备对混合液进行高速回旋至产生微气泡，进行初步气液混合，形成气液混合溶液，通过管路进入气泡发生器。吸入的气体包括臭氧、 氧气、氯气、空气，其中任意一种或多种混合气体。吸入的气体流量与管道内的水体流量的流量控制比例关系为水体流量/气体流量＝N，150＞N＞15。

第三步：根据管道内的水体流量，气泡发生器同时吸入一定流量的气体与进入微纳米气泡生成器的磁化水再次进行气液混合，形成最终的气液混合溶液。吸入的气体包括臭氧、氧气、氯气、空气，其中任意一种或多种混合气体。吸入的气体流量与管道内的水体流量的流量控制比例关系为水体流量/气体流量＝M，125＞M＞1.6。

在实施例1、2、3、4的基础上，在水磁化机构前端安装水冷却机构，水冷却机构的出水口通过管道连接水磁化机构的进水口。所述的水冷却机构可以是一个直流冷却水设备，也可以是多个串联的直流冷却水设备。

通过加装水冷却机构，在将水磁化之前将水温控制在0-45摄氏度之间，从而达到更好的溶解效果。

下面，结合上述系统以及所对应气液混合方法，介绍影响气液混合效果的因素：

根据实际应用的需要，评判气液混合效果的依据是浓度、产量和常温下所制取气液混合溶液的有效气体成分浓度半衰期，例如气液混合溶液在水处理、消毒、农业病虫害防治、污染土壤修复等领域的要求均是如此。

浓度：有效气体成分在气液混合溶液中的浓度越高，其溶液作用效果越好。

产量：在满足浓度要求的前提下，其溶液制取产量越高，在实际应用中的实施效率越高，适用范围越广泛。

浓度半衰期：在提供足够浓度与产量的基础上，所制取气液混合溶液中，有效气体成分在气液混合溶液中的浓度半衰期越长，其作用时间越长，作用效果越好。

经过长期实践，已知对气液混合效果的主要影响因素有以下几个方面：水质、水温、水体类型、气体类型、气液混合方式。

水质：包括液体PH值、含盐量、矿物质含量、有机物含量、金属含量等。由于本专利是针对满足各种水质需要做出的通用性设备与使用方案创新，因此在本专利中不考虑水质影响。

水温：通常水温越低气液混合效果越好，因此本专利提出根据实际应用需要通过控制水温，尽量降低水温，以增强气液混合效果。

通过采用本专利设备技术实现的试验证明，在室温32摄氏度的情况下，将水温分别降低到27℃、20℃、15℃、10℃、5℃，以相同水质、相同流量、相同设备、相同制备条件所制取的臭氧水溶液的浓度分别为2.2ppm、4.3ppm、6.3ppm、8.1ppm、10.3ppm，溶液半衰期分别为20分钟、35分钟、47分钟、58分钟、83分钟、102分钟。

水体类型：分为磁化水和非磁化水两种，采用磁化水取得的气液效果，明显优于非磁化水。

水经磁化后，水性质发生一系列物理和化学变化，氢键角由105°变成103°，水由原来的13-18个大分子团变成5-6个小分子团。水的渗透力、溶解度、表面张力增强，永久磁体产生的超高强磁场，在不改变水原有的化学成份条件下，使水中矿物质的物理结构发生变化。磁场3000GS-5000GS以上，让普通水以一定流速，沿着与磁力线垂直的方向切割，通过一定强度的磁场，普通水就会变成磁化水。磁化水有种种神奇的效能，原来缔合链状的大分子，断裂成单个小分子，水分子偶极距发生偏转。

研究表明，水体磁化效果同磁场强度、溶液过饱和度、流速及溶液中各种离子等均有密切的关系。另外，磁处理改变了水本身的结构，从而改变了一些性状。从这两方面同时考虑，将水体磁化装置安装在气液混合装置的进水口前端，水体在进入气液混合装置的进水口时，由于气液混合装置内部注入气体，气液混合装置从内向外形成一定压力，会产生一定水体滞停或反向，使得水体有时间有机会接受磁场影响，完成完全磁化，主要有以下的几个理论依据：

洛仑兹力作用：水与磁流的相互移动，能够产生感应电流，在洛仑兹力的作用下，弱极性的水分子和气体的带电离子作反向运动。该过程中，正负离子或颗粒相互碰撞形成一定数量的“离子缔合体”，这种缔合体具有足够的稳定性，在水中形成了大量的结晶核心，以这些晶体为核心的悬浮颗粒可以稳定的存在于水中。

极化作用：磁场的极化作用使水体的结晶成分发生了变化。微粒子极性增强，凝聚力 减弱，使水中原有的较长的缔合分子链被截断为较短的缔合分子链和带电离子的变形，破坏了离子间的静电吸引力，改变了结晶条件。形成分散的稳定小晶体。

磁滞效应：磁场引起水中水分子或离子的磁性力偶的磁滞效应，因而改变了气体在水中的溶解性，同时使气液分子相互间的亲和性(结晶性)消失，防止大晶体的结晶。

磁力矩重新取向：在一定基团反应中，磁场影响在基团中成对的磁力矩重新取向，通过这样的中间机理而影响其他化学反应。反应动力学发生了变化，反应结果中新得到的产品间的比例关系也发生了变化。

氢键变形：磁场对水的偶极分子发生定向极化作用后，电子云会发生改变，造成氢键的弯曲和局部短裂，使单个水分子的数量增多。这些水分子占据了溶液的各个空隙，能抑制晶体形成。并使水的整体性能发生变化。

活化能改变：磁场的的影响与系统的转化有联系。虽然水在磁化时获得的能量很少，但在系统中开始和终结之间存在一个“能障”为克服这种能障必须向系统输送相应的能量以触发活化能。磁场短时间的作用起着“催化”水系活化能改变的作用，最终导致整个系统性质的变化。

因此，由于水体经过磁化处理，其溶解度大幅增加，有效气液混合比例大幅提升，由于水是一种弱磁质，从水离开磁场的那一刻起，就不易长期带磁了，磁化水对气体的过饱和溶解度能力是随时间下降的，因此通过气液混合机构的进气口注入气体实现水体流速适当减速，可以实现完全磁化，并进一步提高气体溶解率。

气体类型：气体溶解度越高，其气液混合效果越好；气体在水中越容易分解，其气液混合效果越差。

气体溶解度指该气体在压强为101kPa，一定温度时，溶解在1体积水里达到饱和状态时的气体的体积。

例如，在20℃时，气体的压强为1.013×10⁵Pa，一升水可以溶解气体的体积是：二氧化碳为1L，臭氧为0.494L，氧气为0.03102L。

气体在水中的稳定性：二氧化碳＞氧气＞臭氧。

通过采用本专利设备技术实现的试验证明，在室温25摄氏度的情况下，以相同水质、相同控制水温、相同流量、相同设备、相同制备条件分别制取二氧化碳、臭氧、氧气三种气液混合溶液，所制取的气液混合溶液的浓度分别为12.2ppm、7.3ppm、0.6ppm，溶液半衰期分别为42分钟、21分钟、34分钟。

气液混合方式：不同气液混合方式，形成的气泡直径不同，气泡直径越小，其气液混合效果越越好。

大量非易容性气体溶于液体是以气泡形式存在，如空气、臭氧、氧气等。根据Stokes定律，气泡在水中的上升速度与气泡直径的平方成正比，通常情况下肉眼可见的宏观气泡在1米深的水中所停留的时间不超2秒，气泡破灭后非易容性气体立即溢出液体，从液面向空气中溢出，故而气泡直径越大气液混合溶液中气体成分的保持时间越短，发生作用的概率越低，导致传统宏观气泡效率低下。

实验研究发现，当气泡尺度减小到微米甚至纳米级别时，气泡在水中停留时间变长，从而气液混合溶液中气体成分的保持时间越长，发生作用的概率越长，效率大幅提升，并且气泡的比表面积大增加，其表面特性占主导地位，气体成分溶于液体的效率大幅提高，气液混合溶液中气体成分的浓度大幅提升，效率可提高70％以上。

微气泡发生器：形成的气泡直径为100μm到500μm，溶解效率可达15～20％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为10-20PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为20分钟，但是制取流量较小，制取成本较高。

纳米气泡发生器：形成的气泡直径为1nm到50nm，溶解效率可达80～100％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为40-80PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为120分钟。

微小气泡发生器：溶解效率可达40～60％，得到的微气泡直径为5μm到30μm。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为20-23PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为42分钟。微小气泡发生器对设备的要求较低，加工简单.但稳定性能差，产生微气泡的效率较低、功耗较大，不利于在实际生产中推广使用。

气液混合泵：形成的气泡直径为20-30μm，溶解效率可达30～50％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为20-35PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为30分钟。

射流器：形成的气泡直径为0.1-0.01mm，溶解效率可达5～10％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为10-15PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为10分钟。

微纳米泡沫发生装置：形成的气泡直径为0.01-1.6微米，溶解效率可达50～70％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为30-45PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为50分钟。

静态混合器：形成的宏观气泡直径为0.01-0.001mm，溶解效率可达7～12％。利用本发明实现的有效臭氧溶液浓度为10-20PPM，在35℃的情况下，所制取臭氧溶液浓度半衰期为15分钟。

在本方案中，除了强化上述已知的因素以外，本方案还提出在采用本专利设备技术方案的基础上，根据制取溶液产量要求，即进入气液混合机构的液体流量已定的情况下，针对应用中所采用的制备条件，控制其所对应的特定流量进入气液混合机构，从而达到最佳气液混合效果。

现有磁化水方面的研究，仅仅关注磁场强度与通过磁场的水体流速，而在磁化水应用于气液混合时，水体流量与气体流量需要达到一个动态的平衡状态。

如果水体流量过大，气体流量不足，水体中溶解气体物质的含量就会下降，同时洛仑兹力作用、极化作用、磁滞效应等效果会大幅下降，无法制取要求的高浓度气液混合溶液，同时所制取的溶液中的气体也会较容易溢出，浓度半衰期较短；如果水体流量过小，气体流量过大，容易形成较大气泡，破坏气液混合稳定性，同时，大量的气体注入会对进水造成过量泄滞作用，直接造成进水流量下降甚至反流，而水体磁化需要水体以一定流速经过磁场，进水流量下降将直接导致水体磁化效果下降，直接影响气液混合效果和所制取的气液混合溶液的稳定性。

因此，如果不考虑气体流量对磁化处理效果的影响，单纯考虑以磁化处理加大气液混 合比例是错误的，同时是没有实用价值的，同样不考虑磁化处理对水体过饱和溶解度能力的提升，简单的以传统气液混合比例实施气液混合过程，是无法发挥水体磁化处理对气液混合效果的最大效率的。

进一步分析得到，气液混合装置的工作原理可以用伯努利方程和连续方程来表达：

伯努利方程：

p+1/2ρv2+ρgh＝C

式中：p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量。

进一步推导得到，p1+1/2ρv12+ρgh1＝p2+1/2ρv22+ρgh2。

连续方程：V·A＝常数

式中，V-流体流速，m/s；A——过流截面，m²。

气液混合装置中的流量特征可用下式表示：

式中，Q1——注入气液混合装置的液体量，m/s；Q2——气液混合装置流出流量，m/s；ΔH-气液混合装置前后压差，m；Δp——气液混合装置前后压力损失，Pa；k2——与ΔH相对应的总阻力综合参数；p1——并联气液混合装置的入口压力，Pa；p2——并联气液混合装置的出口压力，Pa。气液混合装置两端的压力损失ΔH可用下式表达：

式中k2与ΔH相对应的总阻力综合参数可用下式表达：

式中：∑ζ-气液混合装置各处的总阻力系数；v-通过气液混合装置各处的流量，m/s。导出总阻力综合参数k2及流速v2、v3由上式可以推出：

式中：d-喷管各处的直径，m，由上式可以推出：

式中：v2——通过气液混合装置导出的液体流速，m/s；同时参考通过本发明实现的试验得到的在各种制备条件下，达到最佳气液混合效果状态下，磁场强度对出水溶液最大饱和溶解度影响、气液混合装置进气流量对出水流量影响、进气量对磁化效果的影响，最终推出：

式中，A_r-气体在本发明实现中的适用系数；A_s-各种气液混合方式在本发明实现中的适用系数；G_S-磁场强度GS；Q₁-注入气液混合装置的液体流量m³/H；Q₂-注入气液混合装置的气体流量m³/H；C-注入气液混合装置的气体阻力系数；C₁-注入气液混合装置的液体阻力系数；d₁-气液混合装置入水口管道直径m；d₂-气液混合装置进气口管道直径m；K₁-气液混合装置流体总阻力综合系数；h₁-注入气液混合装置的液体压力损失；h₂-注入气液混合装置的气体压力损失；P₁-气液混合装置出水口压力Pa；P₂-气液混合装置进水口压力Pa；r-气液混合装置出水流体比重；A_r-气体在本发明实现中的适用系数，二氧化碳：373.25，氧气：23.57，空气：19.52，臭氧：8.63；A_s-各种气液混合方式在本发明实现中的适用系数，纳米气泡发生器：3.52，微纳米泡沫发生装置：4.42，微小气泡发生器：5.97，气液混合泵：7.48，微气泡发生器：13.43，射流器：26.7，静态混合器：53.26。

通过以上公式推导得出，并经过本发明技术实施试验验证得到以下结果，在本发明所 述技术的实施中，达到最佳气液混合效果的条件为：所述气液混合机构同时吸入的气体流量与管道内的水体流量的流量控制比例关系为水体流量/气体流量＝N，85＞N＞1.25。

采用本专利的系统和方法可实现对现有气液混合装置的有效气液混合比例提升52％以上，所制取气液混合溶液的浓度半衰期延迟124.5％，大幅提高了现有气液混合装置的气液混合性能。

除本发明所述的结构外，其余均为现有技术。

以上所述只是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 气液混合系统，其特征在于，包括水磁化机构和气液混合机构，所述的气液混合机构的进水口通过管路连接水磁化机构的输出端。
2. 根据权利要求1所述的气液混合系统，其特征在于，所述的水磁化机构包括塑料内管，所述塑料内管的外部包覆有磁铁。
3. 根据权利要求2所述的气液混合系统，其特征在于，所述磁铁的磁力强度为1000-80000高斯。
4. 根据权利要求1所述的气液混合系统，其特征在于，所述的气液混合机构为以下装置中的一种或多种：气泡发生器、气液混合设备。
5. 根据权利要求4所述的气液混合系统，其特征在于，所述的气泡发生器为以下装置中的一种：微气泡发生器、纳米气泡发生器、微小气泡发生器、微纳米泡沫发生器。
6. 根据权利要求4所述的气液混合系统，其特征在于，所述的气液混合设备为以下装置中的一种：气液混合泵、射流器、静态混合器。
7. 根据权利要求1-6任意一项所述的气液混合系统，其特征在于，该系统还包括水冷却机构，所述水冷却机构的输出端连接水磁化机构的输入端。
8. 根据权利要求7所述的气液混合系统，其特征在于，所述的水冷却机构包括一个或多个直流冷却水设备。
9. 基于权利要求1所述系统的一种气液混合方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：将水体磁化后，气体和磁化水按照一定的比例进入气液混合机构，实现气液混合。
10. 根据权利要求9所述的的气液混合方法，其特征在于，同时进入气液混合机构的气体流量与管道内的水体流量的流量控制比例关系为：水体流量/气体流量＝N，85＞N＞1.25。

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