微纳米气泡发生装置的研究.doc

微纳米气泡发生装置的研究 论文作者签名： 指导教师签名： 论文评阅人1： 评阅人2： 评阅人3： 评阅人4： 评阅人5： 答辩委员会主席：阮晓东教授浙江大学机械工程兰墨 委员1：傅新教授 浙江大学机械工程兰圣 委员2：邹俊副教授浙江大学机械工程掌亟 委员3：许忠斌教授浙江大学化学工程与生物王猩堂丕 委员4： 委员5： 答辩日期：二零一二年-,El七号 ：+ 一 钮 IIIII I r TIIIII I III I I III Y2063132 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝塑太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 日 F 7 粼鲐主j擀鳓期：徘年乡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 有权保留并向国家有关部门或机 逝婆太堂 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 厂 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名： 导师签名： 多藤 签字日期： 签字日期： f月f日 夕口肜年 矽肜年 月6日 L 浙江大学 在 论文的 关实验 实验设 备。 本 针制备 和建议 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 2012年1月 浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 微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 Abstract small adhesive Micro bubbles，featured谢ttl size，comparativelybigsurface，hi。gh efficiency, in an roleinthe fieldssuchasairfloatation low important floatingspeedwater,play application water chemicalreactionButthereare precise purification，waterreoxygenation，pharmacy,and twokindsof inthe ofmicrobubblesinthe oftheir fields promotion light application problems Forone ofwater andwater liesinhow purificationreoxygenation,theproblem thing，inrespect to abundantmicrobubbles another to controlthe effectivelyForthing，howprecisely produce of sizeofthemicrobubblesinthecase and chemical are reaction,which pharmacyprecise criticalofthebubblesize and ofthecurrentabundantmicrobubble Basedonthesetwo problems，investigationsanalysis andthesizecontrollablemicrobubble havebeentakeninthis generationtechnology technology totheabundantmicrobubble amicrobubble generation,we paperInrespect proposed method、砘也the ofthrottleorificeIncontrasttothecurrent designsit generation principle bearsthe of underwater structure，highmobility,andworkingsubmerged advantagescompact Basedontheabove further amodelofthrottleorificemicrobubble principle，wedesigned of onaccountofour andfluidsimulationresultsAfter that,experiment generator calculating inthe aswellasbubblefeaturesmeasurementhavebeen microbubble generatingpool thatthe timeandsizedistributionofthemicrobubblesarebetter conductedIt floating proves thanthe abundantmicrobubble generators existing Astothesizecontrollablenanobubble amethodof generation,weproposed electrolyzationby withthe hasthe oflowfabrication methods，it microprobeComparedexisting advantages thenset amathematicalmodelonthe of and control up principle requirementshigh preciseWe to size-controllable amodel microbubbles，anddesigned electrolyrzationbymicroprobegenerate the deviceofbubble alsobuiltatest toevaluatecharacteristicsofOur generatorWe platform modeldevicecan thesizeand model tothetest control results，Our deviceAccording precisely III 浙江大学硕士学位论文 intervalofthe the space generatingmicrobubblesNotably,itsurpasses existing microbubbleinthefeaturesoftheminimunbubblesizeandsize deviation generator In theendofthis discussedthe andtheir ofour two paper,we shortcomingsimprovements designs Keywords：micro，nano，bubble generator,throttle size-controllablebubble IV 浙江大学硕士学位论文 致谢。 摘要。 Abstract 目录V 1 I墓 论1 11 课题研究背景及意义l 111 微纳气泡在各种领域的应用l 112 微纳气泡的产生与控制研究现状4 12 课题内容及关键技术8 121 大量微纳米气泡发生装置研发8 122 尺寸可控徼气泡发生装置研发9 2 大量微纳米气泡发生装置研发11 21 大量微纳米气泡发生装置系统设计11 211 大量微纳米气泡发生装置微气泡发生原理11 212 大量微纳米气泡发生装置相关参数设计计算。13 22 大量微纳米气泡发生装置硬件设计26 221 大量微纳米气泡发生装置机械结构设计。26 222 大量徼纳米气泡发生装置控制电路设计28 23 大量微纳米气泡发生装置软件设计35 231 主程序设计35 232 ADC中断程序设计38 233 单片机IO1：2开启判断程序设计39 234 单片机程序烧写设置40 24 大量微纳米气泡发生装置气泡发生实验41 241 大量微纳米气泡发生装置水池实验41 V 浙江大学硕士学位论文 目录 242 微细气泡悬浮时间测量42 243 有效气液混合比测量44 244 微细气泡尺寸分布测量44 245 功耗与效率45 3 尺寸可控微气泡发生装置研发47 31 尺寸可控微气泡发生装置原理建模47 311 尺寸可控微气泡发生装置原理47 312 尺寸可控微气泡发生装置数学建模48 32 尺寸可控微气泡发生装置设计加工53 321 尺寸可控微气泡发生装置微探针制备53 322 尺寸可控微气泡发生装置机械结构设计：57 33 尺寸可控微气泡发生装置微气泡发生实验60 331 微气泡高精度尺寸控制实验60 332 徼气泡间距和频率控制实验一67 4 总结与展望72 41 总结72 42 展望73 参考文献74 作者简历及科研成果78 VI 浙江大学硕士学位论文 绪论 1绪论 11课题研究背景及意义 111 微纳气泡在各种领域的应用 1111大量微纳米气泡的应用 微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。 在水中通入徼纳米气泡，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-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511，2】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。 Co 微纳米气泡吸附效果 a 宏观气泡吸附效果 图11颗粒物吸附气泡4】 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l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11 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11 b ，气浮效率可提高20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12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】。 。黝彬彬彬嬲嬲嬲”彬嬲黟彬嬲缈嬲妒缪鳓獭猡餮 F7 b， 在水中完全溶解 ； o 口 。 缓慢上浮 口 。 微纳米气泡 撇泡o 图12宏观气泡与微观气泡增氧效果对比【9】 徽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85oC，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509m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 绪论 浙江大学硕士学位论文 味【10】，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【l l】Migirenko等人使用注气孔直径为1 到509m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lgm到3岬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328【12】。 1112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 以徼气泡做为载体在药物，基因运载方面发展迅速。研究者发现徼气泡可作为一种 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岫到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【13】。 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。Cravotto等人通过使用20kHz，87Wcm2超声波控制微气泡溃灭的方式实现了一些 B等人通过使用尺寸可控 常温常压不能进行的有机化学反应高精度定量控制14】Zheng 的微气泡隔离蛋白质和凝结剂，然后在1001ma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15】。 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 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17，18。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。 112 微纳气泡的产生与控制研究现状 1121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 器，向水箱中辐射超声波，获得大量平均直径为1200m的超声波微气泡空化气泡群191。 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。Betteridge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22】 Lawrie等人使用过氧化氢分解方法获得大量平均直径为31am的氧气微气泡【23】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OsamuSakai等人通过使用2001xm的金属徼 X 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777nm的微气泡24，G Xie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61xm的微气泡【25】。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徽气泡 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【26】。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HONDAPUMPS公司研发的BUSP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 气混合液静置情况下从浑浊到澄清时间至少为1分钟【27。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 气 绪论 浙江大学硕士学位论文 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SMX155型 徼纳米气泡泵，最大流量为36m3h，功率为15KW，气液混合比为1到4，得到的徼 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Et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 1122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、微管道气液两相流法、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 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，获得尺寸可控的微气泡半径 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12 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 绪论 浙江大学硕