（机械电子工程专业论文）微纳米气泡发生装置研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 徼纳米气泡由于具有气泡尺寸小、比表面积大、吸附效率高、在水中上升速度慢等特 点，在气浮净水、水体增氧、生物制药、精密化学反应等领域有重要应用价值。但在微纳 米气泡应用推广过程中根据应用场合不同有两方面问题需要解决：第一，在气浮净水、水 体增氧等这些需要大量微纳米气泡的场合，需要解决的关键问题是如何大量、高效的产生 微纳米气泡；第二，在生物制药、精密化学反应等这些对微气泡尺寸精度要求较高的场合， 需要解决的关键问题是如何高精度的控制微气泡的尺寸。 针对这两方面问题，本文分别调研了现有的大量微纳气泡发生技术和尺寸可控的微气 泡发生技术。针对现有的大量微纳气泡发生技术存在问题，提出了一种潜水式节流孔释气 微纳米气泡发生方法，与现有方法相比，具有结构紧凑，移动便捷，可通过潜水方式工作 等特点；在此基础上，本文通过计算和流体仿真设计了潜水式节流孔释气微纳米气泡发生 装置原理样机，并通过水池内微气泡发生实验和微气泡性能参数测试实验对原理样机性能 进行测试，该样机获得的微气泡在悬浮时间、尺寸分布等参数上有一定的优势。 在尺寸可控的微气泡发生技术研究方面，提出了一种用微探针电解产生可控微气泡的 方法，具有加工难度低、控制精度高的优点；在此基础上，对微探针电解可控微气泡发生 原理进行数学建模，以此为依据设计加工了可控微气泡发生装置原理样机，并搭建实验平 台对可控微气泡发生装置原理样机性能进行测试，该样机可精确控制微气泡的尺寸和间 距，并且在可控微气泡最小尺寸和尺寸控制精度等参数上有一定的优势。 本文还分别讨论了潜水式节流孔释气微纳米气泡装置和微探针电解可控微气泡发生 装置目前存在的不足和改进思路。 关键词：微纳米气泡、气泡发生装置、节流释气、微探针、电解气泡、气泡尺寸控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r ob u b b l e s ，f e a n | r e d 埘也锄a l ls 诬，c o n l p a r a t i v e l yb i gs u r f k e ，l l i 曲a d h e s i v ee 伍c i e n c y ， l o wf l o a t i i l gs p e e di nw a t i e r ，p l a ya 1 1i i l l p o r 啪tr o l ei n 吐l e 印p l i c a t i o nf i e l d ss u c ha sa i rn o 撇i o n w a t e rp u r i f i c a t i o n ，w a t e rr e o x y g e n a t i o n ，p h 锄a c y ，a i l dp r e c i s ec h e m i c a l r e a c t i o n b u tt 1 1 e r ea r e 饥，ok i n d so fp r o b l e m si nt l ：屺p r o m o t i o no fm i c r ob u b b l e si i lt 1 1 el i g h to f 也e i r 印p l i c a t i o nf i e l d s f 0 ro n en l i n g ，i i lr e s p e c to fw a t e rp 试行c a t i o n 觚dw a t e rr e o ) 【) ，g e n 撕o i l ，也ep r o b l e m1 i e si nh o w t 0p r o d u c ea b 蚰d a n tm i c r ob u b b l e se 艉c t i v e l y f o ra 1 1 础e r 灿玛，h o wt op r e c i s e l yc o m o l 恤 s i z eo ft l l em i c r 0b u b b l e si nt l l ec a s eo fp h a r m a c ya j l dp r e c i s ec h e m i c a lr e a c t i o i l ，w i l i c ha r e c r i t i c a lo f 廿l eb u b b l es i z e b a s e d0 nn l e s e 俩op r o b l e m s ，i n v e s t i g 撕o n sa n da n a l y s i so ft h ec u r r e ma b 咖d a n tm i c r ob u b b l e g e n e r a t i o nt e c l l i l o l o g ya i l d 廿1 es i z e c o n 缸o l l a b l em i c r ob u b b l et e c l l i l o l o g yl l a v eb e e nt a k e nm m i s p 印e r i nr e s p e c tt o 廿1 ea b 蚰d a n tm i c r ob u b b l eg e n e r a t i o 玛w ep r o p o s e dam i c r 0b u b b l e g e n e m t i o nm e n l o d 、) l ，i t h 也ep r i n c i p l eo f 也r o t t l eo r i f i c e i nc o n t r a s tt on l ec u r r e md e s i g n s ，“ b e a r s 也ea d v a l l t a g e so fc o m p a c ts 讯l c t u r e ，l l i 曲m o b i l i 钒锄dw o r k i i l gs u b m e 唱e du i l d e rw a _ t e r b a s e do n 吐l ea b o v ep 出_ c i p l e ，w e 胁h e rd e s i g n e dam o d e lo fm r o m eo r i f l c em i c r ob u b b l e g e n e r a l o ro na c c o u n to fo u rc a l c m a t i l l g 觚dn u i ds 岫u l a t i o nr e s u l t s a f t e r 吐l 吐e x p e d m e n to f m i c r ob u b b l eg e n e r a t i i 培i nt h ep o o l 豁w e n 雒b u b b l ef e a ：t l l r e sm e a s u r e m e n th a v e b e e n c o n d u c t e d i tp r o v e st h a tt l l en o a 血gt i m e 引1 ds i z ed i s t r i b u t i o no f 也em i c r o b u b b l e s 缸eb e t t e r t 1 1 a i l 也ee 妞s 廿n ga b 蚰蛐m i c r o b u _ b b l eg e n e r a t o r s a st 0t 1 1 es i z e c o m r o l la _ b l en a n o b u b b l eg e n e r a t i o 玛w ep r o p o s e dam e t l l o do fe l e c 臼o l y z a t i o nb y m i c r o p r o b e c o m p a r e d 、) l ，i 也t 1 1 ee 对s t i l l gm e m o d s ，“h a sn l ea d v a i l t a g e so fl o wf a b r i c a t i o n r e ( 1 u i r e m e n t sa n dl l i 曲c o n t r o lp r e c i s e w em e ns e tu pam a 也e m a t i c a lm o d e lo n t l l ep r i n c i p l eo f e l e c 臼o l y z a t i o nb y 面c r o p r o b et og e n e r a t es i z e - c o n t r o l la _ b l e 血c r o b u t ) b l e s ，a n dd e s i g n e dam o d e l d e v i c eo fb u b b l eg e n e r a t o r w 色a l s ob u i l tat e s tp 1 州b 皿t oe v a l 眦让屺c h a m c t e r i s t i c so fo u r m o d e ld e v i c e a c c o r d i l l gt 0t 1 1 et e s tr e s l l l t s ，0 1 1 rm o d e ld e v i c ec 锄p r e c i s e l yc o n 订o lt h es i z e 觚d i 浙江大学硕士学位论文 s p a c e 缸e n r a lo f 也eg e n e 珀：t i n gm i c r o b u b b l e s n o t a b l y ，i ts u 印a s s e st h ee 虹s t 协gs 娩e - c o m r o l l a b e m i c r o b u b b l eg e n e r a t o ri nt l l ef e a t u r e so f 也em i l l i m u nb u b b l es i z ea n ds 娩ed e v i a t i o n i n 也ee n do ft h j sp a p e r ，w ed i s c u s s e d l es h o n c o m i n g sa 1 1 dt 1 1 e i ri i i l p r 0 v e m e n t so f0 1 1 rt 、0 d e s i 母：l s k e yw o r d s ：m i c r o ，n a n o ，b u b b l eg e n e r a t o r t h r o t t l eo r i f i c e ，m i c 阳p r o b e ，e l e c t r o l y z a t i o n ， s i z e - c o n t l 0 u a b l eb u b b l e 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在论文完成之际，本人在此首先感谢课题组傅新老师、邹俊老师和阮晓东老师给予本 论文的支持。本人在此感谢机械系鞠冰峰老师为本文微气泡观测提供数码光学显微镜等相 关实验设备，感谢机械系顾临怡老师为本文大量微纳米气泡发生装置实验提供水池等相关 实验设备，感谢能源系方梦祥老师为本文微气泡尺寸测量提供激光粒度仪等相关实验设 备。 本人在此感谢机械系陈远流博士生对于本文尺寸高精度可控微气泡发生装置中微探 针制备提供的指导和建议，感谢课题组陈颖博士生对于本文显微镜观测和使用给予的指导 和建议，感谢课题组韩青博士生对于本文f 1 u e n t 仿真软件使用给予的指导和建议，感谢机 械系王东海博士生和孟启承博士生在本文大量微纳米气泡发生装置水池实验中提供的帮 助。 本人在此感谢课题组强璐莹硕士生对于本文大量微纳米气泡发生装置调试、实验照片 拍摄和论文排版过程中提供的指导和帮助，感谢课题组任玉亮硕士生和张庭荣硕士生对本 文大量微纳米气泡发生装置水池实验中提供的帮助，感谢课题组牛玉国硕士生和能源系轩 俭勇硕士生对本文微气泡尺寸测量过程中提供的帮助。 最后，本人感谢对于在本论文撰写过程中给予过帮助和指导的所有老师和同学，谢谢 你们! 刘季霖 浙江大学 2 0 1 2 年1 月 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1微纳气泡在各种领域的应用 1 1 1 1 大量微纳米气泡的应用 徽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。 微纳气泡在气浮净水技术中的应用 气浮法作为一种高效的固液分离技术，最先在选矿中应用，自从二十世纪七十年代 以来，该技术在水处理领域得到迅速发展，目前已较广泛地应用于水体的净化处理，以及 城市污水和工业废水处理 1 ，2 。传统的气浮方法通过电解、曝气和溶气等方式在水中产生 大量肉眼可见的宏观气泡【3 】。由于气泡本身带电荷，通过气泡吸附水体中的悬浮物，在浮 力的作用下把悬浮物带到水面，即可实现固体悬浮物与水体的分离。 ( a ) 宏观气泡吸附效果( b ) 微纳米气泡吸附效果 图1 1 颗粒物吸附气泡 4 】 根据s t o k e s 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【5 】，故而宏观气泡与悬浮物的接 触时间短，发生粘附的概率低，导致传统宏观气泡气浮法污物分离效率低下( 图1 1 ( a ) ) 。 这几年的实验研究发现，当气泡尺度减小到微纳级别时，气泡在水中停留时间变长，从而 与悬浮物接触时间增加；并且气泡的比表面积大增加，其表面特性占主导地位，气泡与悬 1 浙江大学硕士学位论文绪论 浮物粘附效率大幅提高，污物的浮力增加( 图1 1 ( b ) ) ，气浮效率可提高2 0 以上【6 】。 微纳气泡在水体增氧中的应用 当大量含有氮磷的污水进入一个湖泊时，由于湖泊水循环不畅，水中的氮磷浓度迅 速提高。充足的氮磷供应会导致湖泊中的藻类迅速生长，在快速生长期过后，死去的藻类 残骸则为水中的微生物提供了充足的养料，它们也会随之大量繁殖，并在分解藻类残骸的 过程中迅速消耗水中的溶解氧，导致水中的氧含量快速下降，引发水中需氧生物死亡，最 终导致生态系统崩溃【7 】。通过向水中通入空气或氧气( 曝气法) ，可提高水体中的氧含量， 从而能够治理因水体内氮磷含量过多引发的生态系统崩溃问题。如图1 2 所示，传统的曝 气增氧技术通过向水中注入宏观气泡方式为水体增氧，由于宏观气泡在水中上浮快，与水 体之间的氧交换时间短，增氧效率不高；而微纳米由于在水中停留时间长，与水体之间的 氧交换时间长，并且比表面积大，气泡中的气体水中溶解速度快，可大大提高水体增氧效 率，从而有力的改善污染水体水质并促进水体内生态系统的修复 8 】。 嘲 毵遵强簧。譬淘f 泡。 缓慢上浮 。o 0 微纳米气泡 。 图1 2 宏观气泡与微观气泡增氧效果对比【9 】 微纳气泡在臭氧水消毒中的应用 在牡蛎等海产品含有诺如病毒，在牡蛎等海产品的消费量季节，经常发生食用含有 该病毒的海产品而发生中毒现象。在传统技术中，通过对牡蛎进行加热，并保持其中心温 度超过8 5o c ，加热时间持续一分钟以上，即可消除诺如病毒的危害，但同时牡蛎的风味 也受到影响。通过将含有臭氧的空气粉碎在水中形成5 0 岬以下的微气泡，并使用该微气 泡混合液对牡蛎进行两昼夜浸泡，就可消灭牡蛎中诺如病毒活性，并且不影响其本身的风 矜 。萄 教， 浙江大学硕士学位论文 绪论 味【1 0 】，该技术也可取代现有的消毒柜应用在日常家用餐具消毒上。 微纳气泡在船舶运动减阻中的应用 通过在船体表面覆盖一层微纳气泡，可以变船体表面与水之间的摩擦为气体与水的 摩擦阻，从而减小船舶航行阻力，提高航行速度【1 l 】m i g i r e n k o 等人使用注气孔直径为1 到5 0 岫的多孔不锈钢平板喷气的方法将微气泡引入到船体湍流边界层内，试验结果表明 减阻效果跟气孔大小相关，当注气孔直径为1 岬到3 岫产生时的微气泡能获得最佳减阻 效果【9 】。王家楣等人使用平底型船模，分别在船模底部的前部和中部安装多孔硅材料板来 产生微气泡，并在拖曳水池中进行了试验，试验结果表明，在船模前部和中部同时产生微 气泡时总减阻率达3 2 8 【1 2 】。 1 1 1 2 尺寸可控微气泡的应用 前面主要讲述了大量微纳米气泡的应用，在以上应用场合中，为了提高微气泡净水、 增氧、消毒和减阻效率，对微气泡在液体中的浓度要求较高，而对水中微气泡的尺寸分布 要求相对较低，在上面应用场合中的微气泡的尺寸离散度都比较大。而在生物制药、精密 化学反应和气泡逻辑电路等前沿应用领域，需要对单个气泡的高精度操作控制，实现微气 泡的吸附水平、溶解速度等参数定量化，故而对气泡的尺寸控制要求较高。 可控微气泡在生物制药中的应用 以微气泡做为载体在药物，基因运载方面发展迅速。研究者发现微气泡可作为一种 高效的载体，运载基因或药物到靶组织，并在超声波作用下破裂，将所载基因或药物释放 到靶组织内，从而在提高基因和药物的利用效率的同时减少对其他健康组织的损伤。微气 泡主要通过将药物吸附包裹在其表面方式运载药物，不同尺寸的微气泡包裹的药量也不 同，通过控制微气泡的尺寸就可定量控制输送药物的多少杨春江等人通过使用粒径分布 在2 岬到6 岬范围内的可控紫杉醇载药脂质微气泡，输送药物到肿瘤组织附近，并使用 超声波使微泡破裂将其携带药物释放，取得了良好的实验效果，该技术有望实现在实时监 控下的体内定点靶向给药【1 3 。 可控微气泡在精密化学反应中的应用 徼气泡在精密化学反应中主要首先通过微气泡包裹或隔离反应原料，继而通入微管 道或微容腔内使被气泡隔离的反应物相接触，在催化剂或超声波作用下发生化学反应。通 过控制气泡的大小则能高精度的控制参与反应的原料多少，从而精密的控制化学反应的进 3 浙江大学硕士学位论文绪论 程。c r a v o 们等人通过使用2 0k h z ，8 7 w c m 2 超声波控制微气泡溃灭的方式实现了一些 常温常压不能进行的有机化学反应高精度定量控制 1 4 】z h e n gb 等人通过使用尺寸可控 的微气泡隔离蛋白质和凝结剂，然后在1 0 0 岬的微流道内混合，实现了对蛋白质结晶反 应的高精度定量的控制 1 5 】。 可控微气泡在气泡逻辑电路中的应用 微气泡逻辑电路主要通过加工微流道，在微流道内注入水或其他液体，在微泵的作用 使液体在微流道内流动在液体中注入尺寸可控的微气泡，用含微气泡的流体代表逻辑l ， 不合微气泡的流体代表逻辑0 ，微气泡随着液体和流动经过微流道内的控制门( 电控或表 面张力控制) 时，就可改变液体内气泡流向，实现逻辑运算 1 6 ，1 7 】。p r a k a l s h 等人通过加 工不同形状的微流道，并在其里面注入水或油等液体和尺寸可控的微气泡，利用微气泡在 不同形状微流道中表面能不同的原理，实现了对微气泡的与或非运算 1 7 ，1 8 】。微气泡逻辑 电路可应用在前面提到的微气泡制药、微气泡精密化学反应等场合中，实现对这些过程的 自动控制，具有良好的应用前景。 1 1 2微纳气泡的产生与控制研究现状 1 1 2 1 大量微纳气泡产生与控制 在前面提到，微气泡在气浮净水技术、水体增氧、臭氧水消毒和微纳气泡减阻等领 域中有重要的应用价值，但其中需要解决的一个关键问题是如何大量、高效的产生微纳米 气泡本文调研了现有的大量微纳气泡发生技术，发现主要有超声空化法，化学反应法、 电解法、分散空气法、溶气释气法这几种方法。 超声空化法产生大量微气泡 超声波产生微气泡主要基于超声波的空化原理，通过向液体辐射超声波，在超声波 负半周时液体被拉伸产生负压，当负压低于液体空化压力时，就会引发液体内部空化，产 生尺寸为微米级的微气泡【1 9 ，2 0 ，2 1 】。m o u s sa t i d v 等人通过使用频率为2 0 k 的超声换能 器，向水箱中辐射超声波，获得大量平均直径为1 2 0 岬的超声波微气泡空化气泡群【1 9 】。 但是用超声波空化方式产生微气泡不能连续工作，且功耗比较大、效率偏低，从而限制了 该技术在实际生产中推广使用，并且在水中通过超声空化方式产生的气泡内的气体主要为 水蒸气，故而该方法不能适用于水体增氧、臭氧消毒等场合。 4 浙江大学硕士学位论文绪论 化学反应法产生大量微气泡 化学反应法通过使用化学物质发生化学反应来产生微细气泡。b e t t e r i 起e 用金属钠和 水反应，获得大量氢气微气泡，并通过气泡破裂的声音判断所得气泡尺寸为微米级 2 2 】 l a 、砸e 等人使用过氧化氢分解方法获得大量平均直径为3 岬的氧气微气泡【2 3 】在气浮净水 和水体增氧等场合，需要大量微气泡，但是用化学试剂产生微气泡成本过高，限制了该方 法在这些领域的应用。另外，使用化学物质容易造成水体的二次污染，会对水体中的水生 生物造成伤害，因此通过化学反应法产生微气泡不适合在自然水体中直接使用 电解法产生大量微气泡 电解法通过电极电解水的方式产生氢气和氧气来获得微细气泡。宏观电极由于气泡 的附着效应，电解产生的气泡尺寸都比较大o s 锄us a k a i 等人通过使用2 0 0 岬的金属微 纤维编制成的金属网作为电极在水中电解得到大量平均直径为7 7 7 1 1 m 的微气泡 2 4 ，gx x i e 等人使用高度抛光金属球表面的纳米级微凸起作用电极，在水和甘油混合液中电解， 得到大量平均尺寸为6 岫的微气泡【2 5 】。但是电解法产生微气泡存在耗能高，气泡产量小 的问题，不利于该技术在实际工业生产中推广应用。 分散空气法产生大量微气泡 分散空气法主要通过高速剪切、搅拌等方式把空气反复剪切破碎，混合在水体中可 以稳定的产生大量的微气泡【2 6 】。相比于前面的超声空化法、化学反应法电解法，分散 空气法能耗较低、微气泡发生效率较高，且不会对水体造成二次污染，目前美日韩等国已 研发出相应产品。其中具有代表性的是日本的h o n d ap 咖s 公司研发的b u s p 大型徼 纳米气泡泵，该泵通过叶轮高速搅拌空气和水形成微气泡泡混合液，其流量最大为 3 6 0 m 3 h ，气液混合比最高达到7 ，得到的微气泡直径分布从1 归到5 0 岬，形成的水 气混合液静置情况下从浑浊到澄清时间至少为1 分钟【2 7 】。但是分散空气法需要使用大功 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 溶气释气法产生大量微气泡 溶解释气法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，基于该技 术的微纳气泡发生装置目前在美日韩等国已进入量产应用阶段。其中具有代表性的是美国 鼬v e 怕r e s t 公司生产的s m x 微纳米气泡泵，该泵通过将气体和水混合后输入到压气罐使 气 浙江大学硕士学位论文 绪论 气体溶解在水中，继而通过释气装置将溶解气体释放出来形成微细气泡，其s m x 1 5 5 型 微纳米气泡泵，最大流量为3 6 m 3 l l ，功率为1 5 k w ，气液混合比为1 到4 ，得到的微 气泡直径为5 呻到3 0 岬【2 8 。相比分散空气法产生微气泡，使用溶气释气法对设备的要 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，目 前成熟的技术掌握在美日韩这些发达国家手中。 根据以上分析，在现有的大量微气泡发生技术中，超声空化法和电解法产生微气泡 的效率较低、功耗较大，不利于在实际生产中推广使用，而化学反应法成本较高且容易对 水体造成二次污染，不利于在自然水体中直接使用分散空气法和溶气释气法微气泡的相 对前面几种方法发生效率较高，但是分散空气法对设备要求较高，溶气释气法对流道设计 和控制要求较高，这些需要在接下来的微气泡发生装置设计中进一步深入研究 1 1 2 2 尺寸可控微气泡发生装置研究背景 前面介绍了通过超声波空化、化学反应、分散空气、溶气释气等大量微气泡发生方 法，他们有一个共同的特点，即产生的微气泡尺寸不一致，离散度大。而在基因治疗、精 密化学反应气泡逻辑电路等领域对微气泡尺寸精度要求很高，需要产生的微气泡尺寸都 是一致可控的目前已有相关论文对尺寸可控的微气泡发生方法展开了研究，使用的方法 有微管道吹气泡法、徼管道气液两相流法、微流道离心法、微电极阵列电解法等。 微管道吹气泡法产生可控微气泡 通过使用宏观尺寸的气管向液体中通入气体就会产生一个个宏观气泡，通过控制气 管内气体的流量和压力，则能控制产生气泡的尺寸。微管道吹气泡法也是基于同样原理， 该方法使用微气泵通过微管道向液体中注入微量气体，在液体中形成一个个微气泡，控制 微泵的压力和流量则可控制的微气泡尺寸【2 9 ，3 0 ，3 1 】n 萄a f i 等人使用内径为7 0 0 岫的 毛细微管，用微泵控制气体脉冲压力的方式向水中注入气体，获得尺寸可控的徽气泡半径 从1 0 0 岫到3 0 0 岬，控制精度为1 5 岫【3 2 】。由于气体可压缩性比较好，高精度的控制 气体的压力和流量非常困难，故而微管道吹气泡法得到微气泡尺寸离散度偏大。并且，在 发生原理上，通过微管道吹气泡法产生的微气泡尺寸必然会大于微管道的口径，而加工口 径为微米级或者更小尺寸的微管道非常困难，从而限制了该技术获得尺寸更小的气泡，也 限制了该技术在实际生产中的推广使用。 6 浙江大学硕士学位论文绪论 微管道气液两相流法产生可控微气泡 在微管道吹气泡法基础上，有人提出了微管道气液两相流法产生可控微气泡，即同 时控制液体和气体流动，通过液体和气体之间的剪切力使气体分散形成一个个尺寸一致的 微气泡 3 3 ，3 4 ，3 5 ，3 6 】。由于液体可压缩比气体要差，液体压力和流量的可控精度比气 体要高，故而通过微管道气液两相流法产生的微气泡尺寸离散度要比徼管道吹气泡法小。 并且微管道气液两相流法微气泡的形成主要靠液体和气体之间的剪切力，其产生的微气泡 尺寸可小于微管道的口径，从而能够获得更小尺寸的微气泡。但是，该方法中的气液流速 差大到一定值时，气液两相流动就会进入紊流状态，微气泡的发生变得不可控，限制了该 方法获得更小尺寸的气泡。m g a i i 矗1 1 c a l v o 等人使用内径为1 0 0 岬的毛细微管，通过精 密控制气体和液体的流量，获得半径从2 5 岬到6 6 0 岫的尺寸可控的微气泡，微气泡的 尺寸控制精度为1 0 岬【3 4 】。跟微管道吹气泡法类似，微管道气液两相流法也要精确控制 气体液体流量，加工徼管道，控制和加工难度较高，限制了该技术在实际生产中的推广使 用。 微流道离心法产生可控微气泡 除了用微管道吹气泡的方式和气液两相流方式产生微气泡，有人还尝试使用离心的 方式产生微气泡。c h a k r a b o 啊等人通过在一个圆盘上刻蚀气体和液体微流道，并注入气 体和油液，然后使圆盘高速旋转，在离心力的作用，液体和气体在被甩出去的过程中形成 微气泡，通过控制圆盘的转速即可控制产生的微气泡的尺寸。c h a l ( r a b 0 啊等人使用此方 法获得半径在2 2 5 岫到4 0 5 阻的尺寸可控的微气泡，微气泡的尺寸控制精度为1 0 岬【3 7 】 该方法由于在圆盘上刻蚀流道，影响了圆盘旋转的动平衡，高精度的控制圆盘转速比较困 难，故而其产生的微气泡尺寸控制精度低于前面两种方法，并且高精度的微流道加工比较 困难，也不利于该方法在实际生产中推广使用。 徼电极阵列电解法产生可控微气泡 电解是产生气泡的一种比较简单的方法，在前面电解产生大量微气泡的方法中提 到，使用金属微纤维网和抛光后的金属表面形成的微凸作为电极，可以得到大量尺寸不可 控的微气泡。在此基础上，l e e 等人通过刻蚀方形、圆形或三角形尺寸一致的微电极阵列， 电解时微气泡从这些微电极阵列表面产生，通过控制正负微电极间距、微电极大小、形状 浙江大学硕士学位论文绪论 和电解电压，可以控制微气泡的尺寸。l e e 等人使用直径为1 8 岬，正负电极间距为2 0 哪 的圆形微电极阵列，在4 5 v 电压申解水获得平均半径为2 1 岫的可控微气泡，其尺寸离 散度为1 0 岫到2 5 岫【3 8 用该方法电解时，微气泡并不总是从微电极同一地方产生，故 而得到的微气泡尺寸离散度比较大，可控性比较差。此外，加工微电极阵列工序复杂、制 作困难，不利于在工业生产中推广使用 根据以上分析，在现有的可控微气泡产生技术中，微管道吹气泡法和微管道气液两 相流法这两种方法控制精度较高，获得微气泡最小半径为2 5 岫，控制精度为1 o 岬，但 是需要用微泵对流体进行高精度控制，操作难度较大，限制了其在工业中的推广使用而 微流道离心法和微电极阵列电解法，控制电机转速和电解电压相比前两种方法要简单，在 技术上容易实现，但是由于其本身原理限制，这两种方法得到微气泡尺寸和离散度都偏大， 不利于在对微气泡尺寸精度要求较高的场合应用。此外，现有的可控微气泡产生技术均需 要使用到微流道、微电极加工，结构复杂，加工难度大，从而限制了这些技术在实际工业 生产中的应用。 1 2 课题内容及关键技术 根据以上分析，在微纳气泡推广应用过程中主要有两方面问题需要解决：第一个问 题是在气浮净水、水体增氧等对微气泡产量需求要求较大的应用场合如何高效的产生大量 微纳气泡；另一个问题是在微气泡生物制药、精密化学反应、微气泡逻辑电路等这些对微 气泡尺寸控制精度要求较高的应用领域如何简单高效的产生尺寸可控的微纳气泡。本课题 针对这两个方面问题展开研究，提出相应的解决方案。 1 2 1 大量微纳米气泡发生装置研发 1 2 1 1 潜水式节流释气微纳米气泡发生装置研发 在前面大量微纳米气泡发生装置研究背景中提到，分散空气法和溶气释气法通过将 空气和水混合的方式产生微气泡，微气泡产量大、效率高、功耗较低。但是分散空气法需 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；溶气 释气法相比分散空气法，对设备加工制造要求较低，而对流道设计和系统控制要求较高 在本课题中，本文选择溶气释气法作为大量微气泡发生装置的基本原理，对装置的流道设 计和系统控制展开研究，从而提高溶气和释气效率，实现微气泡大量高效发生。 浙江大学硕士学位论文 绪论 现有的溶气释气法微气泡发生装置均需要大型压气罐和释气罐作为溶气释气装置， 整个设备体积庞大，并且在工作时需要先将空气与水混合，送入到压气罐加压溶解，然后 通过释气罐释气产生微细气泡，整个工作不连续，降低了微气泡的生产效率。 针对现有溶气释气法微气泡发生装置存在的问题，本文提出了潜水式节流释气微纳 米气泡发生方法，该方法利用节流孔对液体节流产生的背压，使空气和水在潜水泵内部增 压溶解；利用节流孔使液体加速流动时喉部产生的负压来释放水中的溶解空气形成微细气 泡。通过利用节流孔的特性，本文的微气泡发生装置不需要大型压气罐和释气罐作为溶气 释气装置，整个装置设计紧凑，移动便捷，并且可以通过潜水的方式为水体内各个水层和 各个区域直接增氧和净化水质。另外，本文的微气泡发生装置直接将空气和水在泵内混合 溶解，继而通过出口处的节流孔释气，随着水泵的抽水和排水整个过程连续产生微气泡， 从而能够提高微气泡的发生效率。本文对潜水式节流释气微纳米气泡发生装置研究与设计 作如下安排： 首先，给出潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置系统原理设计然后，通过计算 与仿真给出装置相关设计参数。继而，完成装置的机械结构设计、控制电路设计和软件程 序设计最后，在水池内进行整个装置微气泡发生实验，并对所得微气泡混合液进行悬浮 时间、含气量和微气泡尺寸分布等参数测试。 1 2 2尺寸可控微气泡发生装置研发 1 2 2 1 微探针电解可控微气泡发生装置研发 在前面尺寸可控的微气泡发生装置研究背景中提到，现有的尺寸可控的微气泡发生 方法都涉及到微流道的加工，加工难度较大，并且尺寸控制精度较高的微管道吹气泡法和 微管道气液两相流法需要通过微泵实现对微流体的高精度控制，设备要求较高，控制难度 较大，从而限制了这些技术在实际生产中的应用。 本文通过研究现有的微气泡发生方法发现，现有的微电极阵列电解法通过控制电解 电压的方式控制微气泡尺寸，控制比较容易，但是由于其设计原理的局限性，电解产生的 气泡不在电极同一个地方产生，导致通过该方法得到微气泡尺寸和离散度都偏大，并且微 流道加工难度较高，从而不利于在对微气泡尺寸精度要求较高的场合和实际生产中应用。 针对这些问题，本文提出了用微探针电解产生可控微气泡的方法，该方法通过宏观 钨丝电解的方式就可获得尺度为微纳米级针尖的探针，加工难度低。本文利用抛物面形针 q 浙江大学硕士学位论文绪论 尖的微探针尖端放电效应，可保证微气泡始终在针尖处产生，通过控制电解电压和微探针 尖端曲率半径则可高精度的控制电解得到的微气泡尺寸，从而在降低加工和控制要求的同 时，提高了微气泡的控制精度，并且相比现有微气泡发生可获得尺寸更小的可控微气泡 本文对微探针电解可控微气泡发生装置研究与设计按如下安排展开： 首先，提出微纳探针电解可控微气泡发生装置原理设计。接着，对微纳探针电解可 控微气泡发生原理进行数学建模，给出装置相关设计参数。然后，设计并加工可控微气泡 发生装置机械结构，搭建实验装置。最后，使用微纳探针电解可控微气泡发生装置进行微 气泡尺寸控制实验和微气泡问距、频率控制实验。 浙江大学硕士学位论文大量微纳米气泡发生装置研发 2 大量微纳米气泡发生装置研发 2 1 大量微纳米气泡发生装置系统设计 2 1 1大量微纳米气泡发生装置微气泡发生原理 图2 1 潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置系统原理图 如图2 1 所示，潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置主要由潜水泵、气泵、电磁阀、 压力传感器和控制电路组成。潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置工作时，潜水泵浸没 于水中，气泵置于水面上通过气管为装置供气，水从潜水泵的进水口通过过滤网过滤，与 进气口过来的空气混合后被吸入到潜水泵内部，在水泵叶轮搅拌作用下压力上升，水中的 气泡逐渐溶解在水中，当经水泵增压后的含大量过饱和空气的水流经水泵出口的节流孔 浙江大学硕士学位论文大量微纳米气泡发生装置研发 时，水流速加快，根据伯努利原理【3 9 节流孔处的压力迅速降低，溶解在水中的空气被迅 速释放出来，生成大量尺度在微纳米级的气泡，从而在水泵处形成“雾状”的微纳米气泡 水气混合液 根据潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置原理可以知道，当进气口进气量太大时， 在水泵增压下，空气不能完全溶于水中，在水泵出口处会得到很多宏观尺寸的气泡；而当 进气口进气量太少时，虽然能在水泵出口获得微纳米尺度的气泡，但水中的微纳米气泡浓 度不会很大，不能使整个装置工作在最高效率状态。基于以上分析，要高效稳定的获得徼 纳米气泡，控制进气口的进气量是整个装置设计的关键。 在实际研究过程中，通过手动控制流量调节阀调节气体流量，可使装置工作在最佳 状态，但是当外部条件发生变化时( 比如潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置经常需要 在不同水深的环境下工作，气泵气压、气管长度等条件也会相应改变) ，潜水式节流孔释 气微纳米气泡发生装置气体流量就会发生变化，又不得不重新手动调节流量调节阀使气体 流量回到最合适比例。 为更彻底解决此问题，本文提出了用压力反馈的方式调节装置进气量。本文在实验 过程中发现，当进气量变多时，水泵的出口压力会降低；反之，当进气量变少时，水泵的 出口压力会上升。也就是说，通过测量水泵的出口压力，可以知道整个装置进气量的多少 如图2 1 所示，本文通过在节流口背压处设置压力传感器，在气泵出口处设置电磁阎，通 过控制电路协调传感器动作：当控制电路通过压力传感器检测到水泵出口压力过高时，启 动电磁阀接通气路，使装置进气量增加；当控制电路通过压力传感器检测到水泵出口压力 过低时，则关闭电磁阎断开气路，使装置进气量减少。如此，即使在气泵气压、气管长度 等外部条件发生变化时，潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置也能自主调节进气量，可 高效稳定的产生微纳米气泡 为了便于对整个系统进行分析，图2 1 中的潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置系 统原理图可简化为如图2 2 的潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置液压原理图，图中紫 色的为气体回路，蓝色的水回路。在下面设计过程中本文需要分别对图2 2 中水泵、气泵、 电磁阀、压力传感器、节流孔等元件进行选型计算，给出合理参数配置。 浙江大学硕士学位论文大量微纳米气泡发生装置研发 图2 2 潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置液压原理图 2 1 2大量微纳米气泡发生装置相关参数设计计算 前文中提到的美国砌v e 墒r e s t 公司生产的基于溶气释气法的s m x 1 5 5 型微纳米气泡 泵技术参数：流量最大为3 6 m 3 l l ，功率为1 5 k w ，气液混合比为l 到4 ，得到的微气 泡直径分布从5 岫到3 0 岬。针对该泵的技术参数，本文提出潜水式节流释气微纳米气泡 发生装置的设计要求：装置通过潜水的方式工作，不需使用溶气和释气罐，额定流量为 2 o m 3 h ，功率为1 5 k w ，气液混合比为1 0 ，得到的微气泡直径分布小于3 0 岬。 2 1 2 1 水泵压力参数设计计算 如前面所述，潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置首先通过水泵增压，使空气溶 解在水中，继而通过节流释气方式使溶解在水中的空气以微纳米气泡的形式释放。故而， 本文首先需要选择合适的水泵使空气溶解在水中。根据亨利定律可知【4 0 】，在一定温度下， 某种气体在溶液中的浓度与液面上该气体的平衡压力成正比，用公式表示即为 p = 圮( 1 ) 其中，p 为气体的分压；c 为溶于溶剂内的体积摩尔浓度；七为亨利常数，其单位 1 3 浙江大学硕士学位论文 大量微纳米气泡发生装置研发 为p a m 3 m 0 1 本文在这里近似认为气泡溶解过程中，氮气、氧气和水蒸气占主导作用，并假设气 泡在水泵搅拌混合过程中，气泡中空气湿度达到饱和状态。则由( 1 ) 式并根据道尔顿分 压定律【4 1 分别对空气中的氧气和氮气计算溶解度可得 = 型等型 ( 2 ) = 型警型 ( 3 ) 根据( 2 ) 和( 3 ) 式可以得到 d 半+ 半煽气气) ( 4 ) 在常温下，七氧为7 7 7 1 0 7 l p a m 0 1 ，七氮为1 6 5 6 1 0 7 l p a m o l ，饱和水蒸气压力 尸水蒸气为2 3 3 8 5 4 p a 4 2 ，则公式( 4 ) 可表达为 c 空气= 7 4 2 1o _ 9 ( 墨气一2 3 3 8 5 4 ) ( 5 ) 根据设计要求，本文需要微纳米气泡发生装置产生的微气泡混合液中，空气占总体 积的1 1 0 ，则空气与水混合体积比为1 ：9 。在设计计算中取安全系数n = 1 5 ，即空气与水 混合体积比为1 5 ： 9 ，根据常温常压下空气的体积为2 2 4 l m o l 【4 3 ，则由公式( 4 ) 可得， 当名气为1 o 1 0 6 p a 时满足要求根据上面计算可知，要使气泡内空气压力为1 o 1 0 6 p a ， 选择水泵的工作压力必须大于1 o m p a 水泵型号选择 根据前面计算和设计要求可得，水泵所需的压力至少为1 0 m p a ，流量为2 o m 3 l l 。另 外，根据设计要求本文的微纳米气泡发生装置需要在水下工作，需要选择潜水泵。如图 2 3 所示，本文选择1 0 0 q 巾2 1 2 5 1 5 螺杆潜水泵，水泵工作的扬程为1 2 5 m ( 相当于 1 2 2 m p a ) ，额定流量为2 m 3 l l ，满足前面的计算需求。 浙江大学硕士学位论文大量微纳米气泡发生装置研发 型号：1 0 0 q d 2 1 2 5 1 5 功率：1 5 k w 供电电压：交流2 2 0 v 扬程：1 2 5 m 额定流量：2 m 3 l l 出口螺纹：1 0 ” 尺寸：直径1 0 c m ，高1 3 0 c m 图2 - 3 螺杆潜水泵1 0 0 q 巾2 1 2 5 1 5 参数 2 1 2 2 潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置节流孔计算与仿真 节流孔计算 图2 4 节流孔释气原理图 由于潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置需要为自然水体增氧，工作中环境水质 不能保证，考虑到单节流孔释气具有简单、可靠、易于加工的特点，本文选用单节流孔释 气方式产生微纳米气泡。如图2 4 所示，节流孔直径为d ，孔长为，出口、入口直径都 为d ；节流口喉部负压区压力为尸2 ，入口压力为尸l ，出口压力为大气压尸o ；节流口处流 速为如，出口和入口流速都为；管内流量为q 。根据孔口节流方程可知【4 4 ， 浙江大学硕士学位论文大量微纳米气泡发生装置研发 其中c v 为孔口流速系数。 根据伯努利方程【4 4 】可得 q 扣c 孕 量+ 堕：玉+ 竖 p g2 9 p g2 9 其中p 为水的密度，g 为重力加速度。 ( 6 ) ( 7 ) q = 丢万d 2 k = 丢刀d 2 ( 8 ) 为了方便计算，令大气压尸o = o ，则根据式( 7 ) 和( 8 ) 可得 忍= 等c 古一扣 将式( 9 ) 代入到式( 6 ) 可得： e = 等( 古+ 幕) ， 根据前面水泵选型中1 0 0 q 巾2 1 2 5 1 5 潜水泵出口螺纹为1 ”，可知水泵出口直径为 2 5 m m 【4 5 。由于节流口入口与水泵出口相连，两者口径需要保持一致，本文设定节流孔出 入口直径和出口直径都为2 5 m m ，并且先假定节流孔为薄壁孔口出流( 在后续计算中会对 厚壁孔口情况进行验证) ，则取c v = 0 9 7 4 4 ，故而式( 1 0 ) 可简化为 z ：8 0 0 q 2 ( 2 -