CN217773815U - 提高溶解率并产生纳米气泡和oh自由基的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，属于纳米气泡制备设备技术领域，包括机壳、增压机构、高速打击破碎细化机构和动力机构，机壳设有液体进口和液体出口；增压机构设在机壳内，且与液体进口连通，用于对从液体进口进入的气液混合液进行增压；高速打击破碎细化机构设在机壳内，且分别与液体出口连通，用于对经过增压机构后的气液混合液中的气泡进行负压破碎细化；动力机构设在机壳上，且动力机构的动力输出轴延伸至机壳内，并分别与增压机构和高速打击破碎细化机构连接。本实用新型能实现纳米气泡和OH自由基连续生产，更有利于符合大规模工业生产的使用要求，可用于石油开采、污废水处理等行业。

Description

提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置

技术领域

本实用新型属于纳米气泡制备设备技术领域，更具体地说，是涉及一种提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置。

背景技术

液体中存在的微小气泡，当气泡直径在100μm以下称作微米气泡，直径为100nm以下的气泡称为纳米气泡。纳米气泡具有常规气泡所不具备的物理与化学特性。气泡总的表面积与单个气泡的直径成反比。因此气泡越细小，其中的气体与水之间的接触面积越大，而且气泡在水中留存的时间越长，而且气泡小到一定程度后，会在破裂过程中放电，产生OH自由基。

但是，目前纳米气泡的大规模制备比较困难，而且无论产生的纳米气泡的量还是所产生的纳米气泡在所有产生的气泡中占的比例均比较小，制作成本比较高，缺乏产生大量纳米气泡的并能够适用于大规模工业生产的制备手段。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，包括机壳、增压机构、高速打击破碎细化机构和动力机构，机壳设有液体进口和液体出口；增压机构设在机壳内，且与液体进口连通，用于对从液体进口进入的气液混合液进行增压；高速打击破碎细化机构设在机壳内，且分别与液体出口连通，用于对经过增压机构后的气液混合液中的气泡进行负压破碎细化；动力机构设在机壳上，且动力机构的动力输出轴延伸至机壳内，并分别与增压机构和高速打击破碎细化机构连接，以提供动力。

在一种可能的实现方式中，高速打击破碎细化机构包括多组并排设置的特种齿轮，每个特种齿轮均包括齿轮环、连接体和多个特种齿，齿轮环为环状结构，连接体与齿轮环连接，并与动力机构的动力输出轴连接，多个特种齿间隔设置在齿轮环上；特种齿为由直边或曲边构成的梯形齿、矩形齿、蘑菇钉形齿、三角形齿中的一种。

在一种可能的实现方式中，机壳内部设有竖向设置的筒状内腔，液体进口位于机壳下部，液体出口位于机壳上部，动力机构设在机壳上，且动力机构的动力输出轴向下延伸至机壳内，增压机构和高速打击破碎细化机构同轴连接在动力机构的动力输出轴上，增压机构位于高速打击破碎细化机构下部。

在一种可能的实现方式中，增压机构为离心增压泵送机构。

在一种可能的实现方式中，增压机构包括多级离心叶轮和多个导流盘，多级离心叶轮并列设置，且均与动力机构的动力输出轴连接，多个导流盘并列设置，且均外边缘与机壳连接，离心叶轮和导流盘交错设置，离心叶轮上沿径向设有导流孔，导流孔的进口设在离心叶轮一侧的根部，且出口位于离心叶轮的外边缘，离心叶轮另一侧与相邻的导流盘之间或者导流盘上具有用于气液混合液通过的过流空隙，过流空隙用于将上一级离心叶轮出口流出的气液混合液导入下一级离心叶轮的入口；上一级离心叶轮对应的导流盘与下一级离心叶轮之间密封连接。

在一种可能的实现方式中，离心叶轮与导流盘之间通过密封环形成密封连接；增压机构与高速打击破碎细化机构之间还设有导流罩。

在一种可能的实现方式中，提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置还包括气液混合机构，气液混合机构与液体进口连接，用于将气体和液体混合形成气液混合液，并向机壳中输送。

在一种可能的实现方式中，气液混合机构包括导液管、导气管和射流泵，导液管一端与液体进口连接，另一端与射流泵连接，导气管一端与气源连接，另一端与导液管连接。

在一种可能的实现方式中，提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置还包括排液机构，排液机构与液体出口，以导出气液混合液。

在一种可能的实现方式中，排液机构包括排液罩体和排液管，排液罩体设在机壳外部，且排液罩体与机壳之间形成用于气液混合液经过的排液通道，排液通道一端与液体出口连通，另一端与排液管连通。

本实用新型提供的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型通过机壳、增压机构、高速打击破碎细化机构和动力机构的配合，能够实现纳米气泡和OH自由基的产生。另外高速旋转的齿轮局部形成负压区并可融入更多气体，能提高气体的溶解率，而且增压机构在增压过程中不仅能够对气泡进行初步破碎，还能起到一定的泵送作用，既能保持高速打击破碎细化机构部位的高压，又能使得气液混合液能够主动流过高速打击破碎细化机构，实现连续生产，产量能够大幅提升，更有利于符合大规模工业生产的使用要求；而且生产出来的气液混合液中会产生大量的OH自由基，OH自由基具有强氧化能力，可用于石油开采、污废水处理等行业。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置在主视向的内部结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置的增压机构部位在主视向的剖视结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置的离心叶轮部位的仰视结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置的侧视结构的特种齿轮的俯视示意图。

其中，图中各附图标记如下：

10、机壳；

20、增压机构；21、离心叶轮；22、导流盘；

23、导流孔；24、过流空隙；25、密封环；26、导流罩；

30、高速打击破碎细化机构；31、齿轮环；32、连接体；33、特种齿；

40、动力机构；41、动力输出轴；

50、气液混合机构；51、导液管；52、射流泵；53、导气管；

60、排液机构；61、排液罩体；62、排液管。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要进一步说明的是，本实用新型的附图和实施方式主要对本实用新型的构思进行描述说明，在该构思的基础上，一些连接关系、位置关系、动力机构、供电***、液压***及控制***等的具体形式和设置可能并未没有描述完全，但是在本领域技术人员理解本实用新型的构思的前提下，本领域技术人员可以采用熟知的方式对上述的具体形式和设置予以实现。

当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

现对本实用新型提供的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置进行说明。

请一并参阅图1及图2，本实用新型第一实施方式提供的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，包括机壳10、增压机构20、高速打击破碎细化机构30和动力机构40，机壳10设有液体进口和液体出口；增压机构20设在机壳10内，且与液体进口连通，用于对从液体进口进入的气液混合液进行增压；高速打击破碎细化机构30设在机壳10内，且分别与液体出口连通，用于对经过增压机构20后的气液混合液中的气泡进行负压破碎细化；动力机构40设在机壳10上，且动力机构40的动力输出轴41延伸至机壳10内，并分别与增压机构20和高速打击破碎细化机构30连接，以提供动力。

气液混合液中，气体可以为空气、氧气、臭氧、氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳中的一种或多种的混合；液体可以为纯水、自来水、市政污水、江河湖泊的污水、工业废水、畜牧及水产养殖污水、农业废水、医疗卫生废水、取矿废水、造酒业废水、食品加工废水、石化行业废水、石油天然气开采废水、煤炭行业废水、核电厂废水、火力发电厂废水、印染行业废水、养生行业的用水、游泳池的污水、硬水需软化的水、印染业废水、垃圾渗透液水溶液的一种或多种的混合。

在生产纳米气泡和OH自由基时，将气液混合液的供给设备连接在机壳10的液体进口，之后启动动力机构40带动增压机构20和高速打击破碎细化机构30运行，气液混合液先经过增压机构20增压并初步破碎成微小的气泡，之后经过高速打击破碎细化机构30被破碎成纳米气泡，再从液体出口导出，导出后及使用过程中纳米气泡破裂会产生OH自由基。

本实施例提供的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，与现有技术相比，通过机壳10、增压机构20、高速打击破碎细化机构30和动力机构40的配合，能够实现纳米气泡和OH自由基的产生。另外高速旋转的齿轮局部形成负压区，并可融入更多气体，能提高气体的溶解率，而且增压机构20在增压过程中不仅能够对气泡进行初步破碎，还能起到一定的泵送作用，既能保持高速打击破碎细化机构30部位的高压，又能使得气液混合液能够主动流过高速打击破碎细化机构30，实现连续生产，产量能够大幅提升，更有利于符合大规模工业生产的使用要求；而且生产出来的气液混合液中会产生大量的OH自由基，OH自由基具有强氧化能力，可用于石油开采、污废水处理等行业。

请参阅图1，本实用新型在第一实施方式基础上又提供的一种具体实施方式如下：

机壳10内部设有竖向设置的筒状内腔，液体进口位于机壳10下部，液体出口位于机壳10上部，动力机构40设在机壳10上，且动力机构40的动力输出轴41向下延伸至机壳10内，增压机构20和高速打击破碎细化机构30同轴连接在动力机构40的动力输出轴41上，增压机构20位于高速打击破碎细化机构30下部。

采用这种形式结构比较紧凑，而且气液混合液在机壳10内部从下向上流动，既有利于气液混合液充分与增压机构20和高速打击破碎细化机构30接触，也有利于保证增压机构20的泵送效果。

为了便于安装，机壳10下部还可以设置底座。

请一并参阅图1和图4，本实用新型在第一实施方式基础上又提供的一种具体实施方式如下：

高速打击破碎细化机构30包括多组并排设置的特种齿轮，每个特种齿轮均包括齿轮环31、连接体32和多个特种齿33，齿轮环31为环状结构，连接体32与齿轮环31连接，并与动力机构40的动力输出轴41连接，多个特种齿33间隔设置在齿轮环31上。

特种齿33为由直边或曲边构成的梯形齿、矩形齿、蘑菇钉形齿、三角形齿或其它形式的变种。

其中，特种齿轮按一定的间距排列，特种齿轮的转速根据需要设定。特种齿33可以位于齿轮环31的外侧或内侧。齿轮环31为环状结构，一方面能够更多地设置特种齿33，增加破碎效果，另一方面也有利于内部液体的流通。齿轮环31可以是圆环结构、也可以是椭圆环、方形环等其他环状结构；每个齿轮上的齿轮环31可以是一个，也可以是多个，且多个齿轮环31可以同心设置，也可以偏心设置。

请一并参阅图1至图3，本实用新型在第一实施方式基础上又提供的一种具体实施方式如下：

增压机构20为离心增压泵送机构，以通过离心作用对气液混合液增压。

增压机构20包括多级离心叶轮21和多个导流盘22，多级离心叶轮21并列设置，且均与动力机构40的动力输出轴41连接，多个导流盘22并列设置，且均外边缘与机壳10连接，离心叶轮21和导流盘22交错设置，离心叶轮21上沿径向设有导流孔23，导流孔23的进口设在离心叶轮21一侧的根部，且出口位于离心叶轮21的外边缘，离心叶轮21另一侧与相邻的导流盘22之间或者导流盘22上具有用于气液混合液通过的过流空隙24，过流空隙24用于将上一级离心叶轮21出口流出的气液混合液导入下一级离心叶轮21的入口；上一级离心叶轮21对应的导流盘22与下一级离心叶轮21之间密封连接，流动状态如图1和图2中的箭头所示。

其中，离心叶轮21与导流盘22均按一定的间距设置，离心叶轮21的转速根据需要设定。

离心叶轮21与导流盘22之间通过密封环25形成密封连接，以保证密封效果。

增压机构20与高速打击破碎细化机构30之间还设有导流罩26，以便于按照需求将经过增压机构20的气液混合液从特定的位置按特定的角度导入高速打击破碎细化机构30中。

请参阅图1，本实用新型在第一实施方式基础上又提供的一种具体实施方式如下：

提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置还包括气液混合机构50，气液混合机构50与液体进口连接，用于将气体和液体混合形成气液混合液，并向机壳10中输送。

气液混合机构50包括导液管51、导气管53和射流泵52，导液管51一端与液体进口连接，另一端与射流泵52连接，导气管53一端与气源连接，另一端与导液管51连接。气源可以是生产或储存气体的装置，包括氧气机、臭氧机、氢气机、CO₂机等。

气液混合机构50的导液管51可以设为两个，其中一个为主导液管，另一个为用来引气的辅助导液管，辅助导液管和主导液管侧部连接，射流器52设在辅助导液管上，导气管53与导液管通过文丘里管连接，以利用射流器52和文丘里管的配合从导气管53吸气，以更好地掺混并分散在液体中。

请参阅图1，本实用新型在第一实施方式基础上又提供的一种具体实施方式如下：

提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置还包括排液机构60，排液机构60与液体出口，以导出气液混合液。

排液机构60包括排液罩体61和排液管62，排液罩体61设在机壳10外部，且排液罩体61与机壳10之间形成用于气液混合液经过的排液通道，排液通道一端与液体出口连通，另一端与排液管62连通。

这样的结构一方面能够使整体结构更为紧凑，而且还能使得排液通道降低内部震动的向外传递，增强整个设备的稳定性。

在一种具体实施例中，动力机构40为电机，其动力输出轴41是其转动轴，本实用新型是在与电机相连的转动轴上串联一系列的离心叶轮21和特种齿轮，离心叶轮21之间及特种齿轮之间按一定间隔距离设置，这些串联在一起的叶轮和特种齿轮的外侧由固定柱形桶状机壳包裹，机壳腔体底部和顶部分别带有流体的进口、出口。离心叶轮21和特种齿轮与机壳之间形成泵房特殊多级泵结构。进口端输入的是流体和气体的混合液。这些混合液首先通过离心叶轮21的高速离心旋转产生的负压将流体和气体的混合液吸入上述的机壳的密闭腔体内，通过由高速旋转离心叶轮21的高速旋转产生的负压使水和空气的混合变得更加细微，之后这些混合液再经过导流罩26，导流罩26中心设有孔，这些孔把经过若干个离心叶轮21的离心增压后被射向高速旋转的齿轮区，由于齿轮的高速旋转的切割作用和旋转产生的局部负压使气液混合液的微气泡进一步变小，从而产生微纳米气泡。这种包含大量微纳米气泡的混合液通过出口输出。这种微纳米气泡可以在水中较长时间驻留。这种气泡的表面带有电荷，当气泡中的气体被液体吸收时气泡变小，气泡表面单位面积内电荷增加，当微纳米气泡收缩达到一定程度时产生***放电(瞬间局部温度达到上1000℃，压力达到上100Mpa)，从而产生OH自由基。

这些气液混合液中的微纳米气泡有较高的界面ξ电位，也就是说微纳米气泡表面吸附有不同量的阴阳离子并形成电势差，这个电势差为ξ电位。另外微纳米气泡由于直径较小，当表面张力较大时会对气泡内气体产生压缩，此时溶解气体的能力大为加强，另外微纳米气泡在上升过程中不停地收缩并出现自身增压，由于体积不断减小导致比表面积和内部气压不断增大，根据Fick定律(公式1)，这样会使越来越多的气体穿过两相界面溶入水中。同时随着微纳米气泡的直径的逐渐减小当内部压力超过极限而发生破裂，同时放电，***放电过程产生OH自由基，并瞬间产生上千度的高温和上百Mpa的压力。

其中：v_d为物质的扩散速率；DL为扩散系数；表示某物质在某介质中的扩散能力；C为物质浓度；y为扩散过程的长度；dC/dy为浓度梯度，级单位长度上的浓度变化值。物质的扩散速率与浓度梯度成正比关系。

因为这些微纳米气泡尺寸极小，所以上升速度极慢，从而可长时间驻留水中而不像常规污水处理爆气技术那样气泡体积大短时间内释放到空气中。根据斯托克斯公式，常温下，水中因为气泡很小，所以比表面积(相同体积下的气泡表面积)变大，这样小的气泡有利于气液界面的吸收作用和物料移动作用。由于OH离子来自于电离产生于气液界面并聚集在表面的团粒结构(氢键网络)的水分子，所以气泡表面带有负(-)电。在不考虑微纳米气泡直径时，气泡的电势ξ大约是-35mV，电势ξ受PH值的影响，当pH值小于4.5时电位为正，随着pH值增加电位减小，当pH值增大到10时电位达到-110mV。水中污染物的吸收与气泡的表面电荷有关。在水中，气泡内外的压差可以通过杨-拉普拉斯公式(2)获得：

ΔP＝4σ/d (2)

在此，σ指的是水的表面张力，d指的是气泡的直径。如果气泡的直径变小，气泡内外压差增大。此外，如果我们假设这一变化发生在绝热空气压缩情况下，气泡内部的温度也会迅速上升。相应的，如果气泡破裂，高温高压环境立即产生，并且产生大量的OH自由基。OH自由基具有强氧化能力，可用于污废水处理等行业。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于，包括：

机壳，设有液体进口和液体出口；

增压机构，设在所述机壳内，且与所述液体进口连通，用于对从液体进口进入的气液混合液进行增压；

高速打击破碎细化机构，设在所述机壳内，且分别与所述液体出口连通，用于对经过所述增压机构后的气液混合液中的气泡进行负压破碎细化；

动力机构，设在所述机壳上，且所述动力机构的动力输出轴延伸至所述机壳内，并分别与所述增压机构和所述高速打击破碎细化机构连接，以提供动力。

2.如权利要求1所述的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于：所述高速打击破碎细化机构包括多组并排设置的特种齿轮，每个所述特种齿轮均包括齿轮环、连接体和多个特种齿，所述齿轮环为环状结构，所述连接体与所述齿轮环连接，并与所述动力机构的动力输出轴连接，多个特种齿间隔设置在所述齿轮环上；所述特种齿为由直边或曲边构成的梯形齿、矩形齿、三角形齿中的一种。

3.如权利要求1所述的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于：所述机壳内部设有竖向设置的筒状内腔，所述液体进口位于所述机壳下部，所述液体出口位于所述机壳上部，所述动力机构设在所述机壳上，且所述动力机构的动力输出轴向下延伸至所述机壳内，所述增压机构和所述高速打击破碎细化机构同轴连接在所述动力机构的动力输出轴上，所述增压机构位于所述高速打击破碎细化机构下部。

4.如权利要求1所述的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于：所述增压机构为离心增压泵送机构。

5.如权利要求4所述的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于：所述增压机构包括多级离心叶轮和多个导流盘，多级离心叶轮并列设置，且均与所述动力机构的动力输出轴连接，多个导流盘并列设置，且均外边缘与所述机壳连接，离心叶轮和导流盘交错设置，所述离心叶轮上沿径向设有导流孔，所述导流孔的进口设在所述离心叶轮一侧的根部，且出口位于所述离心叶轮的外边缘，所述离心叶轮另一侧与相邻的导流盘之间或者所述导流盘上具有用于气液混合液通过的过流空隙，所述过流空隙用于将上一级离心叶轮出口流出的气液混合液导入下一级离心叶轮的入口；上一级离心叶轮对应的导流盘与下一级离心叶轮之间密封连接。

6.如权利要求5所述的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于：所述离心叶轮与所述导流盘之间通过密封环形成密封连接；所述增压机构与所述高速打击破碎细化机构之间还设有导流罩。

7.如权利要求1所述的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于：所述提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置还包括气液混合机构，所述气液混合机构与所述液体进口连接，用于将气体和液体混合形成气液混合液，并向所述机壳中输送。

8.如权利要求7所述的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于：所述气液混合机构包括导液管、导气管和射流泵，所述导液管一端与所述液体进口连接，另一端与所述射流泵连接，所述导气管一端与气源连接，另一端与所述导液管连接。

9.如权利要求1所述的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于：所述提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置还包括排液机构，所述排液机构与所述液体出口，以导出气液混合液。

10.如权利要求9所述的提高溶解率并产生纳米气泡和OH自由基的装置，其特征在于：所述排液机构包括排液罩体和排液管，所述排液罩体设在所述机壳外部，且所述排液罩体与所述机壳之间形成用于气液混合液经过的排液通道，所述排液通道一端与所述液体出口连通，另一端与所述排液管连通。

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