CN117504635A - 水力剪切式微纳米气泡发生器和微纳米气泡发生方法 - Google Patents

水力剪切式微纳米气泡发生器和微纳米气泡发生方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于清洁和环保技术领域，具体提供了一种水力剪切式微纳米气泡发生器，该水力剪切式微纳米气泡发生器包括：播核设备、水力剪切器和控压设备；所述水力剪切器的进水口通过第三管路接通播核设备，所述水力剪切器的出水口接通第四管路作为出水管路；所述播核设备用于产生具有纳米气核的混合液并输送，所述水力剪切器基于文丘里效应使所述播核设备输送的混合液产生微纳米气泡；所述控压设备设置在所述第四管路，用于将所述水力剪切器后端指定距离处的压力维持在第二阈值压力范围，以发生二次文丘里效应。本发明通过设置的水力剪切器和播核设备，可低成本的实现微纳米气泡发生时的浓度提升，以及提高微纳米气泡的粒径的均一性。

Description

水力剪切式微纳米气泡发生器和微纳米气泡发生方法
技术领域
本发明属于清洁和环保技术领域，尤其涉及一种水力剪切式微纳米气泡发生器和微纳米气泡发生方法。
背景技术
微纳米气泡技术是一种新兴的环境友好型清洁技术，在近十年来越来越受到多个国家的重视。目前，微纳米气泡技术已经逐渐应用于水处理、医疗、食品加工和清洗等领域，并发挥了很好的作用。根据细气泡工业协会(FBIA)于2017年制定的ISO标准(ISO/TC 281/WG1)所规定，微纳米气泡为直径小于100μm的一类聚簇气泡，包括微米气泡(直径1-100μm)和纳米气泡(直径小于1μm)。
微纳米气泡由于特殊的几何尺寸，相较于普通气泡，其具有与众不同的物化特性：除了气泡固有的疏水特性之外，微纳米气泡能够在水相中停留存在更长的时间；同时具有更大的比表面积，使得其气液界面具有负电荷的特性；在过去的研究中还发现，在外界刺激条件的存在下微纳米气泡会发生破裂，气液界面消失伴随着周围环境剧烈改变产生的化学能，促使自由基的生成。由于上述特征，微纳米气泡技术被认为在清洗领域具有很大的应用潜力。目前，微纳米气泡作用于清洗的研究已有很多，包括清洗颜料、金属表面污染物、带有润滑油的不锈钢件、水果蔬菜、反渗透膜、微滤膜、光刻胶等不同物质。另外还有包括超声波、光催化氧化与微米气泡联用的清洗技术，都取得了不错的效果。因此，微纳米气泡可以作为一种新型清洗技术，有望减少表面活性剂的使用，从而能够大大减少碳排，保护环境。
微纳米气泡技术能够被良好应用的关键在于微纳米气泡发生技术的高效制备。现存的微纳米气泡发生手段包括：1)通过液流作用使气相发生水力空化或剪切分散，包括：旋流式、静态混合器、机械剪切式、微细孔式发生器、喷射器式、文丘里发生器；2)通过气体在液相溶解度的调节，包括：加压溶气法、升温析出法；3)通过分散相相变化，包括：混合蒸气凝缩法；4)通过液相化学变化，包括：电解发生装置。尽管不同的微纳米气泡发生技术都能产生微观尺寸的气泡，但是能稳定生成浓度系数大、尺寸大小均匀的情况不径相同。其中，旋流式和机械剪切式等微纳米气泡发生器相类似，都是采用外加机械能驱动液流产生旋转形成负压区或形成湍流切割来产生微米气泡，但连续工况下对于操作参数的调控要求较高，且流路复杂，加工难度高，成本较高，难以形成稳定且浓度高的气泡；加压溶气法和升温析出法的原理类似，都是通过改变环境条件调节气体溶解度的方式产生微纳米气泡，是目前较为稳定且微纳米气泡生成浓度较高的一种方式，但由于生成过程需要经历加压溶解和低压释放亦或是温度调控的过程，设备和操作成本较高，气液混合单元依赖进口的多相流泵，并不适用于大规模生产应用。作为水力空化制备微纳米气泡的主要手段，文丘里式微纳米气泡发生器的工作原理是：将气液两相流通过突然缩小后再扩大的水力剪切器，在经过喉部时，受到的压力急剧减小气泡膨胀，随后伴随着急剧的压力恢复和冲击波，气泡激烈的破碎从而形成微米级气泡。由于其结构简单、造价低、可靠性高，适用于工业和民用清洗领域大规模运用，具有很强的研究应用价值。但现阶段所使用的文丘里式微气泡发生器产生的微纳米气泡浓度仍较小，需要通过对尺寸设计参数和操作工况条件的调控来实现文丘里式微纳米气泡发生器的优化设计，满足清洗工艺的大规模应用需求。
空化现象是由于液体中局部压力降低时，液体内部或固液界面上蒸汽或者气体空穴(空化核)爆发性生长、发展和溃灭的现象。水中气核的存在状态是影响空化初生的重要因素，没有空化核的液体是不能空化的。理论研究表明，不同的气核尺寸和数量具有不同的空化起始条件以及不同的发育和溃灭过程，相同压力场下，气核数量越多，初生空化数越大，空化的可能性越大。但是长期以来因气泡测定手段和播核技术的限制，空化核仅被认为是微气泡组成的，而空化核的数量控制也停留在核多或核少的粗放水平上，也尚未有人提出采用纳米气泡作为空化核。
基于此，本发明设计了一种水力剪切式微纳米气泡发生器，以求在现有基础上解决发生器产生的微纳米气泡浓度和尺寸均匀性低的问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种水力剪切式微纳米气泡发生器，能够在提高微纳米气泡产生浓度的情况下，保持微纳米气泡的粒径具有较高的均一性，来解决上述背景技术提到的至少一个缺点。
本发明实施例是这样实现的，一种水力剪切式微纳米气泡发生器，该水力剪切式微纳米气泡发生器包括：播核设备、水力剪切器和控压设备；
所述水力剪切器的进水口通过第三管路接通播核设备，所述水力剪切器的出水口接通第四管路作为出水管路；
所述播核设备用于产生具有纳米气核的混合液并输送，所述水力剪切器基于文丘里效应使所述播核设备输送的混合液产生微纳米气泡；
所述控压设备设置在所述第四管路，用于将所述水力剪切器后端指定距离处的压力维持在第二阈值压力范围，以发生二次文丘里效应。
进一步地，所述播核设备包括混合加压单元、多级释压单元和储水单元中的部分或全部，并配置为：
所述混合加压单元直接接通所述水力剪切器的进水口，或者，所述混合加压单元通过所述多级释压单元或储水单元接通所述水力剪切器的进水口；
其中，所述混合加压单元用于产生高于第一气体的饱和蒸气压的混合液，并输送至所述多级释压单元或储水单元；所述多级释压单元能够通过多级释压使得所述混合液中的纳米气泡的浓度增大；所述储水单元用于中转或直传所述的混合液给所述水力剪切器。
进一步地，所述混合加压单元包括混合腔，所述混合腔设置有进水端口、进气端口和出水端口，所述进水端口通过第一管路连接有液源，所述进气端口接通有气源，所述出水端口通过第二管路连接所述储水单元或所述多级释压单元；所述第一管路与所述储水单元之间连接有第五管路，所述第五管路上设置有第三阀门，所述第三阀门用于控制所述第五管路的通断。
进一步地，所述多级释压单元包括两级以上的释压管路，各所述释压管路上设置有数量不等的释压结构件。
进一步地，所述多级释压单元包括有一个或多个释压结构件串联的释压管路。
进一步地，所述水力剪切器包括文丘里管；
其中所述文丘里管包括依次连通的收缩段、喉管部和扩散段；
或者，所述文丘里管包括直管通道、挡片，所述挡片设置在所述直管通道的中部以形成收缩段、喉管部和扩散段。
进一步地，所述水力剪切器设置有旁路接口，所述旁路接口接通有旁路气源，该旁路气源用于使所述水力剪切器内的压力维持在第一阈值压力范围；
所述控压设备包括水压控制装置或另一文丘里管；
所述水压控制装置设置在所述水力剪切器后端指定距离处；
各所述文丘里管之间串联连接。
进一步地，所述第二管路、第三管路、第四管路上设置有压力表，第三管路上设置有水泵；所述第一管路、第二管路上设置有阀门和流量计，所述流量计分为气体流量计和液体流量计。
进一步地，所述播核设备包括混合加压单元；
或者，所述播核设备包括液泵或者混合加压单元；
或者，所述播核设备包括混合加压单元、多级释压单元；
或者，所述播核设备包括混合加压单元、多级释压单元和液泵。
进一步地，所述水力剪切式微纳米气泡发生器还包括控制单元；
所述控制单元，用于控制所述播核设备中混合加压单元的饱和蒸气压、多级释压单元的梯度释压以及控压设备的背压力。
本发明实施例的目的还在于提供一种微纳米气泡发生方法，用于如上任一所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，所述方法包括：
控制播核设备产生具有纳米气核的混合液；并将所述混合液输送至水力剪切器；
调节输送水力剪切器内的压力，所述水力剪切器基于文丘里效应使所述混合液产生微纳米气泡；
通过控压设备将所述水力剪切器后端指定距离处的压力维持在第二阈值压力范围，以发生二次文丘里效应，使得所述混合液产生更多微纳米气泡。
本发明实施例提供的一种水力剪切式微纳米气泡发生器，水力剪切器基于文丘里效应，作为微纳米气泡的主要发生部分，将混合液生成更多的微纳米气泡；在混合液进入水力剪切器之前，通过播核设备产生高于第一气体的饱和蒸气压的混合液，可以适当提高混合液中纳米气泡的浓度，再通过其中设置的多级释压单元，所述多级释压单元能够通过多级释压使得所述混合液中的纳米气泡的浓度增大，进一步的提高纳米气泡的浓度，使得在混合液输送至水力剪切器时，有更多的微纳米气泡可以产生，此外，通过设置的所述控压设备，进行第二次文丘里效应发生，并与水力剪切器处的文丘里效应协同，解决水力剪切器内微纳米气泡产生的粒径过大或粒径不均匀的现状，最终得到浓度较高、粒径均一性的微纳米气泡，用于清洗，提高批量式清洗工艺的清洗效率，可以用于医用及医疗器材的清洗、半导体硅片等精密加工件的清洗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种水力剪切式微纳米气泡发生器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种播核设备的结构示意图；
图3为一个实施例中水力剪切器在纯水力空化下的粒径分布，其中(a)是概率密度分布，(b)是累计分布；
图4为一个实施例中水力剪切器在水力空化、末端背压结合下的粒径分布，其中(a)是概率密度分布，(b)是累计分布；
图5为一个实施例中不同出口压力下气泡粒径分布，其中(a)是概率密度分布，(b)是累计分布；
图6为一个实施例中水力剪切器的喉管(即喉部或喉管部)直径为7.5mm时不同出口压力下的气泡显微图像，其中(a)对应0kPa，(b)对应80kPa；
图7为一个实施例中不同释压梯度下生成的微纳米气泡浓度曲线图；
图8为一个实施例中水力剪切器的喉管直径为2.5mm时不同出口压力下的纳米气泡分布。
图中：100-混合加压单元；200-多级释压单元；300-储水单元；400-播核设备；500-水力剪切器；600-控压设备。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
实践中发现：气体在水中具有一定的溶解度，不同的气体所对应的溶解度不同，这由其饱和蒸气压决定，即在一定温度下，液体与其气态之间的平衡状态下，气体分子从液体表面逸出进入气相的压力决定。因此，气体在水中的溶解度具有饱和点，一旦气体的溶解程度超过这个饱和点，就会在水中形成微气泡的初始形态，即具有纳米尺度的气核。
文丘里管发生器的喉管部是发生水力空化作用的主要场所，根据伯努利方程，水流在通过狭窄截面处时速度显著增加，静压下降，最终导致了局部负压区的产生，当此处的压力下降到水中溶解气体的饱和蒸气压以下，溶解气体会开始脱离液体形成气核并在瞬间聚合形成微米级气泡。
基于此，在一个实施例中，如图1、图2所示，本发明实施例提供的一种水力剪切式微纳米气泡发生器，包括播核设备400、水力剪切器500和控压设备600；
所述水力剪切器500的进水口通过第三管路接通播核设备400，所述水力剪切器500的出水口接通第四管路作为出水管路，第三管路上设置有水泵401；
所述播核设备400用于产生具有纳米气核的混合液并输送，所述水力剪切器500基于文丘里效应使所述播核设备400输送的混合液产生微纳米气泡；
所述控压设备600设置在所述第四管路，用于将所述水力剪切器500后端指定距离处的压力维持在第二阈值压力范围，以发生二次文丘里效应；
所述播核设备400包括混合加压单元100、多级释压单元200和储水单元300中的部分或全部，并配置为：
所述混合加压单元100直接接通所述水力剪切器500的进水口，或者，所述混合加压单元100通过所述多级释压单元200或储水单元接通所述水力剪切器500的进水口；
其中，所述混合加压单元100用于产生高于第一气体的饱和蒸气压的混合液，并输送至所述多级释压单元200或储水单元300；所述多级释压单元200能够通过多级释压使得所述混合液中的纳米气泡的浓度增大；所述储水单元300用于中转或直传所述的混合液给所述水力剪切器；所述控压设备600用于将所述水力剪切器后端指定距离处的压力维持在第二阈值压力范围；第二阈值压力范围可为0至0.6MPa；具体的，当所述水力剪切器是文丘里管时，水力剪切器后端指定距离处表示的是喉管部后端指定距离处。
需要说明的是，描述的第一气体，仅用于将一个元件与另一个元件区分，该第一气体可以是普通的空气，也可以是用于特征特殊清洁工艺的其他气体，例如臭氧，负离子空气等；第一气体的饱和蒸气压，根据实际选择气体的不同可以灵活改变，因此，所述混合加压单元100的加压所限的压力也是可以灵活选择的，所限的压力是一个常数值，但不一定是一个定值；本示例并不局限于此。
本实施例中，播核设备400主要产生气泡、微气泡、纳气泡(即纳米气泡)等，设置的水力剪切器500，基于文丘里效应，作为微纳米气泡的主要发生部分，可将混合液中的纳气泡生成更多的微气泡；在混合液进入水力剪切器500之前，通过播核设备400的混合加压单元100产生高于第一气体的饱和蒸气压的混合液，可以适当提高混合液中微纳米气泡的浓度，再通过设置的多级释压单元200，所述多级释压单元200能够通过多级释压使得所述混合液中的纳气泡的浓度增高，进一步的提高微纳米气泡的浓度，使得在混合液输送至水力剪切器500时，有更多的纳气泡可以产生为微气泡，此外，通过设置的所述控压设备600，进行第二次文丘里效应发生，实现微纳米气泡的二次切割而非聚簇，并与水力剪切器500处的文丘里效应协同，解决水力剪切器500内气泡产生的粒径过大或粒径不均匀的现状，最终得到浓度较高、粒径均一性的微纳米气泡，用于清洗，提高批量式清洗工艺的清洗效率，具体可以用于医用及医疗器材的清洗、半导体硅片等精密加工件的清洗。
在本实施例的一个示例中，所述水力剪切器500包括文丘里管；
其中所述文丘里管包括依次连通的收缩段、喉管部和扩散段；
或者，所述文丘里管包括直管通道、挡片，所述挡片设置在所述直管通道的中部以形成收缩段、喉管部和扩散段；
以一般的文丘里管为例，其包括依次连通的收缩段、喉管部和扩散段；其中的喉管部作为微纳米气泡的主要发生部分，将混合液中的纳米气核(或纳气泡)生成更多的微纳米气泡(即微纳气泡)，喉管部的一些实验具体参见表1。
表1表示入口压力相同时不同出口压力气泡浓度
喉部压力(kPa) 出口压力(kPa) 流量(L/min) 喉部流速(m/s) 个/cm2
5 40 4.9 4.2 84
32.5 60 4.2 3.6 115
59 80 3.7 3.1 112
85 100 3.0 2.5 58
通过该表1可以看出，将通过喉管部(即喉部)的混合液的压力和流速控制在合适的范围内，在水力剪切器500的出口压力在60kPa时，混合液的流量、流速不在峰值而气泡浓度最高；可以低成本的得到气泡浓度更高的混合液，用于后续工艺如清洁。
在本实施例的一个示例中，播核设备400可以采用现有技术中布水器的曝气管，或其他具有相同或相似功能的液泵、泡沫发生器或吹嘴等；当然，避免选择价格昂贵的多相流泵；选择不同的气泡发生器400，可以产生不同的气体，并得到不同溶解度的混合液，进而存储在储水单元300中；微纳米气泡相较于普通气泡，其具有与众不同的物化特性：除了气泡固有的疏水特性之外，微纳米气泡能够在水相中停留存在更长的时间；故可以在短暂储存后不影响其微纳米气泡浓度。
在本实施例的一个示例中，在短暂储存中，可以对其进行温度、压力的调控，以便于更好的用于清洁，例如适宜的温度、适宜的纯净度等等，来满足一些特殊的清洁工艺。
一般的，文丘里管基于文丘里效应发生微纳米气泡的工作原理是：将气液两相流通过突然缩小后再扩大的文丘里管，在经过喉管部(或喉部)时，受到的压力急剧减小气泡膨胀，随后伴随着急剧的压力恢复和冲击波，气泡激烈的破碎从而形成微米级气泡，即微米气泡甚至是纳米气泡。
所述文丘里管由于其结构简单、造价低、可靠性高，适用于工业和民用清洗领域大规模运用，具有很强的研究应用价值。但现阶段所使用的文丘里管产生的气泡大部分都是毫米级的气泡，微纳米的浓度仍较小，需要通过对尺寸设计参数和操作工况条件的调控来实现文丘里管的优化设计，特别是结合对文丘里管气泡破裂机理的探究来进行***性优化，满足清洗工艺的大规模应用需求；
因此，在本实施例的一个示例中，在水力剪切器500的发生前，对气液两相流中微纳米气泡的浓度进行提升，是有效的、可靠的；由此，本示例中设置了多级释压单元200，通过该多级释压单元200，可以提高输入水力剪切器500的混合液中的微纳米气泡的浓度。
在本实施例的一个示例中，所述混合加压单元100包括混合腔，所述混合腔设置有进水端口、进气端口和出水端口，所述进水端口通过第一管路连接有液源，所述进气端口接通有气源，所述出水端口通过第二管路连接所述储水单元300或所述多级释压单元200。
本示例中，气源可以选择普通的空气作为气体输入；液源可以选择市政管路的自来水；也可以是其他水源，液源输送至混合腔的液体与气源输送的气体进行混合，并且在混合时，混合腔内的释放压力大于气体的饱和蒸气压，温度可以根据气体的种类灵活选择；本示例并不局限于此。
在一个示例中，由于气体在水中具有一定的溶解度，不同的气体所对应的溶解度不同，这由其饱和蒸气压决定，即在一定温度下，液体与其气态之间的平衡状态下，气体分子从液体表面逸出进入气相的压力决定。因此，气体在水中的溶解度具有饱和点，一旦气体的溶解程度超过这个饱和点，就会在水中形成微气泡的初始形态，即具有纳米尺度的气核。故在混合腔中通过控制压力和温度，来使得气体的溶解程度超过这个饱和点，发生微气泡，即具有纳米尺度的气核；有效地提高水力剪切器500的进水中气体的溶解程度，进而提高微气泡的浓度。
在本实施例的一个示例中，所述第一管路与所述储水单元300之间连接有第五管路，所述第五管路上设置有第三阀门K3，所述第三阀门K3用于控制所述第五管路的通断。
通过控制第三阀门K3的通断，来控制储水单元300中混合液的循环流动，进而可以提高储水单元300中混合液的微纳米气泡的浓度。
在本实施例的一个示例中，所述水力剪切式微纳米气泡发生器还包括控制单元；
所述控制单元，用于控制所述播核设备400中混合加压单元100的饱和蒸气压、多级释压单元200的梯度释压以及控压设备600的背压力；
所述控制单元，也用于控制各阀门的开闭，具体可以是直接控制或间接控制。
本示例中，所述控制单元包括PLC控制器和数据采集卡，所述PLC控制器作为现场控制端，数据采集卡连接有具有处理器的计算机设备，计算机设备作为上位机使用，其通过数据采集卡用于数据采集卡信号的采集和传输，以及控制指令的下发和传输，计算机设备可以根据数据采集卡采集的信号生成相关的控制指令并发出，再通过PLC控制器进行控制指令的执行，PLC控制器可以通过气阀、驱动器等相关的执行元件完成控制指令的执行；
更具体的，数据采集卡主要用于压力表、流量计的信号采集和传输，PLC控制器通过驱动器控制各阀门的开闭。
如图1所示，所述第三阀门K3可以单独开启或关闭，也可以与多级释压单元200一起同步开启或关闭，或部分开闭。
在本实施例的一个示例中，所述第二管路、第三管路、第四管路上设置有压力表，第三管路上设置有水泵401；所述第一管路、第二管路上设置有阀门和流量计，所述流量计分为气体流量计G2和液体流量计G1。
具体地，所述第一管路上设置第一阀门K1、第一液体流量计G1；第二管路上设置第一压力表P1和第二压力表P2，第一压力表P1和第二压力表P2位于多级释压单元200的两端；所述进气端口与气源之间的连接管路上设置第二阀门K2、第一气体流量计G2；第三管路上设置第三压力表P3，第四管路上设置第四压力表P4。
这样的话，多级释压单元200作用前后的释放压力可以根据第一压力表P1和第二压力表P2的监测进行控制和调节；混合腔中的气液的比例、压力等也可以得到相应的调节；储水单元300中的混合液的微纳米气泡(或微纳气泡)的浓度也可通过第五管路和第四二管路进行调节和控制。
在本实施例的一个示例中，所述储水单元300可以选用储水罐。
在储水罐上可以设置加热、气压等监测设施。
在本实施例的一个示例中，所述播核设备400包括混合加压单元100；
或者，所述播核设备400包括单一的液泵，或混合加压单元100；
或者，所述播核设备包括混合加压单元100、多级释压单元200；
或者，所述播核设备包括混合加压单元100、多级释压单元200和液泵。
本示例中，混合加压单元100将微米气泡的比例降低，生成更多的纳米气泡；多级释压单元200可以使得混合液中纳米气泡(纳气泡)的浓度提高，配合控压设备600进行背压调控(即背压力)后能使微纳米气泡的粒径更加集中分布；因此，可以根据清洁工艺所需的不同，灵活选择播核设备的组成部分，本示例并不局限于此。
如图1所示，在本实施例的一个示例中，所述多级释压单元200包括两级以上的释压管路，各所述释压管路上设置有数量不等的释压结构件。
在本实施例的一个示例中，所述释压结构件可以选用释压阀门，如节流阀、电磁阀等，也可选用节流板、孔板，及其他局部流量调节功能的结构，本示例并不限制于此。
例如：多级释压单元200包括一条释压管路，该条释压管路上设置有两个释压阀门；或者该条释压管路上设置有三个释压阀门，甚至是一个释压阀门。
又如：多级释压单元200包括两条释压管路，其中一条释压管路上设置一个释压阀门，另一条释压管路上设置两个或三个释压阀门等。
在本实施例的一个示例中，所述多级释压单元200包括有一个或多个释压结构件串联的释压管路；释压结构件可以是释压阀门、节流板或孔板。
本示例的释压管路，即在一条释压管路上设置有三个释压阀门；此外，多级释压单元200具有进水管口和出水管口。
在一个实施例中，经过实验得到了一种气体在合成高盐度溶液中不同条件下的特性。首先，通过调节相关阀门将多级释压单元200的总出口压力控制在0.6MPa，保持气体流量为40mL/min。然后调节释压管路上的多个阀门，以确保压力释放均匀。对于单释压阀门，将释放压力设定为0.6MPa；对于双释压阀门，首先将两个释压阀门置于全开状态，然后将释压阀门远离出水管口的压力控制在0.3MPa以稳定，最后调节另一个释压阀门，使总压力保持在0.6MPa；
对于三个释压阀门，采用相同的方法进行调节：在释压阀门全开的状态下，将释压阀门压力从远离出水管口方向到靠近出水管口方向逐一调整为0.2MPa、0.4MPa和0.6MPa。在设定压力稳定后，再次调节气体流速以产生高浓度的微米气泡作为播种的气核。
本实施例通过多级释压或梯度释压的实验，验明降低释放压力对该气体的特性有重大影响。在梯度释放压力的过程中，该气体的平均尺寸和中位尺寸分别从9.95μm减小到5.79μm和从7.70μm减小到4.60μm。此外，该气泡的浓度从158,148增至570,376/mL。这些研究结果表明，降低释放压力会导致微气泡的体积明显缩小，而浓度的增加可归因于较大的微气泡逐渐破碎成较小的微气泡；具体实验数据参见表2、表3、图7；其中图7为不同释压梯度下生成的微纳米气泡浓度曲线图。
表2表示在梯度释放压力的过程中，气体流量、压降变化
表3表示在梯度释放压力的过程中，气体的平均粒径、中位粒径变化
编号 1 2 3 4 5
气泡浓度 63512 133419 158148 365984 570376
平均粒径 10.96 10.81 9.95 6.71 5.79
中位粒径 8.97 9.49 7.70 5.20 4.60
比表面积 23.94 48.98 49.12 51.74 60.10
如图7所示，在一个实施例中，经过实验得到了一种气体在纯水溶液中不同条件下的特性。分别采用：1个阀门(即图7中的1阀)，2个阀门(即图7中的2阀)，3个阀门(即图7中的3阀)，4个阀门(即图7中的4阀)的多级梯度释压，在梯度释放压力的过程中，其平均粒径从43.89μm(CV＝19.44％)下降至31.86μm(CV＝44.18％)，再达到8.36μm(CV＝101.67％)(CV是变异系数，是标准差与平均值之比)；最后达到89％的气泡粒径在200nm以下，用于清洁使用时具备良好的清洁能力。
因此，本实施例在水力剪切器500的进水前，设置多级释压单元200，可以显著提高水力剪切器500产生的微纳米气泡的个数，即相同条件下，发生的气泡个数或浓度会增加。
在本实施例的一个示例中，所述水力剪切器500设置有旁路接口，所述旁路接口接通有旁路气源，该旁路气源用于使所述水力剪切器500内的压力维持在第一阈值压力范围；第一阈值压力范围可以取60kPa-80kPa，80kPa-100kPa或60kPa-100kPa等等。
此外，当未设置混合加压单元100时，该旁路气源可以作为气体的供给主体。
旁路接口上也可设置有第二阀门K2和第一气体流量计G2；通过第二阀门K2和第一气体流量计G2监测和控制旁路气源输送的气体的压力和流量。
在水力剪切器500中，旁路接口提供高压释放的条件，使得水力剪切器500可以在产生微纳米气泡时，将微米级别气泡的比例降低，生成更多的纳米气泡；结合混合加压单元100，进一步的将微米级别气泡的比例降低，生成更多的纳米气泡。
在本实施例的一个示例中，所述控压设备600包括水压控制装置或另一文丘里管，用于控制水力剪切器500末端的末端背压；
所述水压控制装置设置在所述水力剪切器500后端指定距离处；
各所述文丘里管之间串联连接。
本示例中，所述水压控制装置可以是类似多级释压单元200的阀门组合；各所述文丘里管之间串联连接，串联的间距根据需要进行调节，喉管部(第一次文丘里效应发生处)与控压设备600(第二次文丘里效应发生处)之间保持适当的距离，使得产生的微纳米气泡会发生二次切割，而非聚簇。该另一个文丘里管，在前一个文丘里管的末端再次形成高流速、低压强，产生负压区，进而形成二次文丘里效应，对未完全破裂的气泡进行二次切割，即可满足指定距离；同时这种多段式的文丘里效应有效地改善了单个文丘里管末端气泡涡流聚簇的现象。
在另一个实施例中，一种微纳米气泡发生方法，用于所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，所述方法包括：
控制播核设备400产生具有纳米气核的混合液；并将所述混合液输送至水力剪切器500；
调节输送水力剪切器500内的压力，所述水力剪切器500基于文丘里效应使所述混合液产生微纳米气泡；
通过控压设备600将所述水力剪切器500后端指定距离处的压力维持在第二阈值压力范围，以发生二次文丘里效应，使得所述混合液产生更多微纳米气泡。
图3为一个实施例中水力剪切器在纯水力空化下的粒径分布，其中(a)是概率密度分布，(b)是累计分布；图4为一个实施例中水力剪切器在水力空化、末端背压结合下的粒径分布，其中(a)是概率密度分布，(b)是累计分布；从图3、图4可以看出，纯水力空化作用(出口压力＝0kPa)和水力空化、末端背压结合作用对气泡粒径效果具有明显差异；其中，由气泡粒径概率分布(PDF)可以看出，使用末端背压后的气泡平均粒径MD较之减少，且由累积分布概率图(CDF)上来看，其累积分布频率曲线也更陡峭，更快上升，说明所使用的背压调控后能使气泡粒径更加集中分布。
图5为一个实施例中不同出口压力下气泡粒径分布，其中(a)是概率密度分布，(b)是累计分布；从图5可以看出，出口压力增大至80kPa或100kPa时，该工况下生成的微米气泡粒径更加集中在某一区间，从累积分布概率图(CDF)上来看，累计分布频率曲线也更陡峭，说明增大出口压力能使气泡粒径更加集中在某一区间分布。但从平均粒径上来看，随着压力增大，气泡平均粒径先增大后减小。
而上表1显示了不同工况下的气泡浓度。喉部压力可以通过数值模拟得到。可以发现随着出口压力增加，气泡浓度先增加后减小。在入口压力不变的情况下，增大出口压力意味着喉部流速减小，末端背压的阀门处流速增大，即喉部处的文丘里效应减弱，末端背压的阀门处的文丘里效应增强。综上所述，只靠一次文丘里效应(喉部文丘里效应远大于末端背压的阀门的或是末端背压的阀门的文丘里效应远大于喉部)来切割气泡会使得气泡粒径变小，但个数浓度也较小；在有二次切割的情况下，气泡个数浓度会增加。
图6为一个实施例中水力剪切器的喉管直径为7.5mm时不同出口压力下的气泡显微图像，其中(a)对应0kPa，(b)对应80kPa。在图5中，出口压力为80kPa以及100kPa时，气泡概率密度与其他两种情况(图3、图4)相比向右偏移，整体气泡粒径增加(如图6)。气泡粒径大小分布随着压力变大，先增加后减小。
在一个实施例中，图8表示水力剪切器的喉管直径为2.5mm时不同出口压力下的纳米气泡分布。其中,图8中a对应0kPa时，b对应20kPa时，c对应30kPa时，d对应40kPa时。由此可知，随着出口压力的增加，纳米气泡浓度由106个/ml增加到108个/ml；表明对水力剪切器进行压力控制产生二次文丘里效应，可以显著提高纳米气泡浓度。
本发明实施例提供的一种水力剪切式微纳米气泡发生器，水力剪切器500基于文丘里效应，作为微纳米气泡的主要发生部分，将混合液生成更多的纳米气泡(即纳气泡)；在混合液进入水力剪切器500之前，通过混合加压单元100产生高于第一气体的饱和蒸气压的混合液，可以适当提高混合液中微纳米气泡的浓度，再通过设置的多级释压单元200，所述多级释压单元200能够通过多级释压使得所述混合液中的微纳米气泡的浓度增大，进一步的提高微纳米气泡的浓度，使得在混合液输送至水力剪切器500时，有更多的微纳米气泡可以产生为纳气泡，此外，通过设置的所述控压设备600，进行末端背压调控，以进行第二次文丘里效应发生，并与水力剪切器500处的文丘里效应协同，解决水力剪切器500内微纳米气泡产生的粒径过大或粒径不均匀的现状，最终得到浓度较高、粒径均一性的纳气泡，用于清洗，提高批量式清洗工艺的清洗效率，可以用于医用及医疗器材的清洗、半导体硅片等精密加工件的清洗；
本发明实施例可以结合高速摄像设备对微米气泡进行实时动态观测，对微米气泡的气泡粒径进行测定，来制备出高浓度、粒径稳定均一的气泡以满足清洗工艺的大规模应用需求。所制备的清洗气泡是一种清洁环保材料，除自身发生的物理反应之外，不涉及其他化学反应对环境造成破坏；所使用的气源为空气，在实际应用工艺中可结合实际选择替代气体来源。
本发明实施例的微纳米气泡发生器可用于医用及医疗器材的清洗：如可被用于制备专用于清洗眼睛的微纳米气泡灌洗液，产生的大小均一，浓度稳定的微米气泡可用于眼球中医用硅油的清洗，直接面向用户的眼睛清洁，服务于去除眼睛的异物、刺激物等等。还可用于半导体硅片等精密加工件的清洗：基于该微纳米气泡发生器可以制备出高浓度的微纳米气泡清洗液，利用其特殊的物化特性可以用于去除半导体晶片表面的颗粒、残留物和有机污染物；有助于提高半导体器件的质量和性能；进一步地满足硅片的工业化清洗。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水力剪切式微纳米气泡发生器，其特征在于，该水力剪切式微纳米气泡发生器包括：播核设备(400)、水力剪切器(500)和控压设备(600)；
所述水力剪切器(500)的进水口通过第三管路接通播核设备(400)，所述水力剪切器(500)的出水口接通第四管路作为出水管路；
所述播核设备(400)用于产生具有纳米气核的混合液并输送，所述水力剪切器(500)基于文丘里效应使所述播核设备(400)输送的混合液产生微纳米气泡；
所述控压设备(600)设置在所述第四管路，用于将所述水力剪切器(500)后端指定距离处的压力维持在第二阈值压力范围，以发生二次文丘里效应。
2.根据权利要求1所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，其特征在于，所述播核设备(400)包括混合加压单元(100)、多级释压单元(200)和储水单元(300)中的部分或全部，并配置为：
所述混合加压单元(100)直接接通所述水力剪切器(500)的进水口，或者，所述混合加压单元(100)通过所述多级释压单元(200)或储水单元(300)接通所述水力剪切器(500)的进水口；
其中，所述混合加压单元(100)用于产生高于第一气体的饱和蒸气压的混合液，并输送至所述多级释压单元(200)或储水单元(300)；所述多级释压单元(200)能够通过多级释压使得所述混合液中的纳米气泡的浓度增大；所述储水单元(300)用于中转或直传所述的混合液给所述水力剪切器(500)。
3.根据权利要求2所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，其特征在于，所述混合加压单元(100)包括混合腔，所述混合腔设置有进水端口、进气端口和出水端口，所述进水端口通过第一管路连接有液源，所述进气端口接通有气源，所述出水端口通过第二管路连接所述储水单元(300)或所述多级释压单元(200)；所述第一管路与所述储水单元(300)之间连接有第五管路，所述第五管路上设置有第三阀门(K3)，所述第三阀门(K3)用于控制所述第五管路的通断。
4.根据权利要求2所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，其特征在于，所述多级释压单元(200)包括两级以上的释压管路，各所述释压管路上设置有数量不等的释压结构件。
5.根据权利要求2所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，其特征在于，所述多级释压单元(200)包括有一个或多个释压结构件串联的释压管路。
6.根据权利要求1或2所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，其特征在于，所述水力剪切器(500)包括文丘里管；
其中所述文丘里管包括依次连通的收缩段、喉管部和扩散段；
或者，所述文丘里管包括直管通道、挡片，所述挡片设置在所述直管通道的中部以形成收缩段、喉管部和扩散段。
7.根据权利要求6所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，其特征在于，所述水力剪切器(500)设置有旁路接口，所述旁路接口接通有旁路气源，该旁路气源用于使所述水力剪切器(500)内的压力维持在第一阈值压力范围；
所述控压设备(600)包括水压控制装置或另一文丘里管；
所述水压控制装置设置在所述水力剪切器(500)后端指定距离处；
各所述文丘里管之间串联连接。
8.根据权利要求3所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，其特征在于，所述第二管路、第三管路、第四管路上设置有压力表(P1，P2，P3，P4)，第三管路上设置有水泵(401)；所述第一管路、第二管路上设置有阀门(K1，K2)和流量计，所述流量计分为气体流量计(G2)和液体流量计(G1)。
9.根据权利要求1所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，其特征在于，所述播核设备(400)包括混合加压单元(100)；
或者，所述播核设备(400)包括液泵或者混合加压单元(100)；
或者，所述播核设备(400)包括混合加压单元(100)、多级释压单元(200)；
或者，所述播核设备(400)包括混合加压单元(100)、多级释压单元(200)和液泵。
10.一种微纳米气泡发生方法，其特征在于，用于如权利要求1-9任一所述的水力剪切式微纳米气泡发生器，所述方法包括：
控制播核设备(400)产生具有纳米气核的混合液；并将所述混合液输送至水力剪切器(500)；
调节输送水力剪切器(500)内的压力，所述水力剪切器(500)基于文丘里效应使所述混合液产生微纳米气泡；
通过控压设备(600)将所述水力剪切器(500)后端指定距离处的压力维持在第二阈值压力范围，以发生二次文丘里效应，使得所述混合液产生更多微纳米气泡。
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