專利名稱：微氣泡發(fā)生裝置和微氣泡發(fā)生方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微氣泡的發(fā)生，尤其是涉及一種利用泵和變形形態(tài)的加
壓罐用溶氣氣浮法(Dissolved Air Flotation, DAF)生成大量超微細(xì)氣泡的 微氣泡發(fā)生裝置及利用此裝置的微氣泡發(fā)生方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，微氣泡(通常稱作Microbubble)是對直徑50pm以下氣泡的
總稱。微氣泡的生成主要是以加壓溶解的方法實(shí)現(xiàn)，而本發(fā)明的微氣泡 的發(fā)生具體是以溶氣氣浮法(DAF)形成。
溶氣氣浮法(DAF)是一種水處理方法，它以較大的壓力使空氣充分溶 解在水中，并將其注入到待處理的原水中，在原水中得到減壓的水，使 過飽和的空氣形成為微氣泡，微氣泡與待處理水中的絮凝物(floc)結(jié)合， 這種氣泡-絮凝物從水中快速上升到水表面從而形成固體和液體分離。在 此，絮凝物是指固體微粒子分散在液體中的懸浮液或懸浮狀態(tài)下固體微 粒子通過試劑的作用相互凝聚而形成較大的聚集體。
DAF法的特征是與現(xiàn)有沉淀池相比，消耗較小的面積(處理時間短)， 提高硅藻類及藍(lán)藻等藻類的去除效率，減少凝聚劑量(減少約10 25%)， 淤泥的含水率低(約95~97%含水率)。
溶氣氣浮法(DAF)在關(guān)于水處理的沉淀方面具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括減少 凝聚劑和生成的沉淀物(淤泥)體積。尤其是，為分離固體-液體，使用較 高的水力負(fù)荷率(hydraulic loading rate)，因此可使用小于沉淀所需大小的 懸浮室，從而減少組裝費(fèi)用(Edzwald and walsh, 1992)。
據(jù)悉，經(jīng)處理的水中殘留凝聚劑的濃度比沉淀法中的凝聚劑濃度低， 經(jīng)去除后水質(zhì)量在4。C以下的低溫下也良好(AWWA, 1999)。由于它的多 種優(yōu)點(diǎn)，即使需要循環(huán)及飽和器系統(tǒng)、動力費(fèi)用和稍微復(fù)雜的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，
5DAF法也得到了較大的發(fā)展。因目前DAF法被廣泛利用，所以需要設(shè)計 方面的改善和最佳的運(yùn)轉(zhuǎn)條件。因此許多研究人員正在進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)和 模型化研究。
從DAF理論和實(shí)踐的最近發(fā)展得知，氣泡的大小是DAF法中最為重 要的參數(shù)之一(Edzwald, 1995)。利用圖像分析及粒子計數(shù)器可容易地測定 出所生成的氣泡大小(Han等人,2002c)。發(fā)現(xiàn)壓力對氣泡大小的影響是非 線性的。氣泡大小隨著壓力的增加而變小，但在3.5個大氣壓以上的壓力 下就不會再減少(De Rijk等人，1994; Han等人，2002a)。然而，對氣泡 的最佳大小仍存在異議。
Han (2001)及Han等人(2001)提出當(dāng)氣泡和粒子具有相似的大小并帶 有相反電荷時去除效率最高。但部分制造商主張更小的氣泡具有更高的 效率(Rubio等人，2002)。
在DAF法中，較小的氣泡大小能提高接觸區(qū)域內(nèi)氣泡和絮凝物之間 的碰撞效率，較大的氣泡大小因絮凝物-氣泡聚集體結(jié)合的速度增加更快 而提高了分離效率。但如果是小氣泡，因碰撞效率高而附著在其聚集體 上的氣泡數(shù)量增多，顯示出類似于大氣泡的更高上升率。因此小的氣泡 可增加對小絮凝物的附著，從而提高水處理的效率。
其結(jié)論是，盡管發(fā)生小氣泡費(fèi)用更大，但為提高DAF法效率，小氣 泡的發(fā)生最為適宜。但是與小氣泡生成相關(guān)的高能源費(fèi)用和復(fù)雜的操作 限制了DAF系統(tǒng)的使用。
在方法效率方面，DAF法中發(fā)生的氣泡大小是重要的因素。發(fā)生氣 泡需要消耗高能源和費(fèi)用。目前DAF系統(tǒng)中所發(fā)生的氣泡大小為約 30(im。根據(jù)DAF法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型，氣泡大小表示被去除的粒子大小 范圍。即，氣泡大小越小，能被去除的粒子大小越小。
如圖1所示，現(xiàn)有DAF系統(tǒng)1由當(dāng)作循環(huán)泵使用的高壓循環(huán)水泵2、空 氣壓縮機(jī)la、發(fā)生氣泡并通過改變進(jìn)入到內(nèi)部的空氣量和內(nèi)部壓力而改 變氣泡大小的加壓罐3構(gòu)成。圖l的未說明符號"lb"是排水閥，"3a"是壓力計。
在這種現(xiàn)有氣泡發(fā)生裝置中，其缺點(diǎn)在于，裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作難，而且作為必要的組成要素必須具備壓縮機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)所引起的噪音和振 動較大，所消耗的費(fèi)用也大大增加。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單并易于操作 運(yùn)轉(zhuǎn)的、根據(jù)溶氣氣浮法能以低廉的費(fèi)用生成大量微氣泡的微氣泡發(fā)生 裝置及微氣泡發(fā)生方法。
為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置由泵、混合室和噴嘴構(gòu) 成。其中，泵吸入氣體和液體進(jìn)行混合；混合室將從所述泵中壓送的所 述氣體和所述液體進(jìn)行再次混合；噴嘴噴出被所述混合室再次混合的所
述氣體和所述液體的混合物。本發(fā)明對所述氣體量和所述混合室的壓力 進(jìn)行調(diào)節(jié)而發(fā)生微氣泡。
此外，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的微氣泡發(fā)生方法包括以下步驟-
將氣體和液體分別吸入到泵內(nèi)的步驟；通過所述泵時所述氣體和液體被 打碎，進(jìn)行混合的步驟；經(jīng)所述泵將被所述泵混合的所述氣體和所述液 體壓送流入混合室的步驟；所述氣體和所述液體進(jìn)行再次混合，所述混 合室的內(nèi)部形成預(yù)定內(nèi)壓的步驟；從所述混合室向外噴出得到的經(jīng)再次 混合的所述氣體和所述液體的混合物的步驟。
在本發(fā)明中，所述氣體和所述液體的混合物通過位于所述混合室一 側(cè)的噴嘴噴出，而噴嘴最為適宜的是可開閉的多孔型噴嘴。
最為適宜的是，在所述混合室中，板排列成至少一個以上的層，所 述板上形成用于使所述氣體和所述液體的混合物流過的多個孔。
另一變形例是，所述混合室具有由上端密封的外部室和與所述外部 室的壁隔離并且上端開放的內(nèi)部室構(gòu)成的雙重室結(jié)構(gòu)，與所述混合室的 入口處相連接的流入管延伸至所述內(nèi)部室的底部，與出口處相連接的流 出管通過所述內(nèi)部室和所述外部室之間的隔離空間延伸至所述外部室的 底部附近。所述泵內(nèi)的所述氣體和所述液體的混合物流入到所述內(nèi)部室 內(nèi)，從所述內(nèi)部室溢出的所述混合物從所述外部室經(jīng)過配管流入到所述 噴嘴。
7此外，所述泵的前方設(shè)有吸氣閥，從而調(diào)節(jié)流入所述泵的氣體的量， 根據(jù)所述吸氣閥的開口大小和混合室內(nèi)部的壓力大小可調(diào)節(jié)所述微氣泡 的大小分布。
最為適宜的是，所述氣體為空氣、氧氣或臭氧，所述液體為水。 綜上所述，本發(fā)明利用泵和變形形態(tài)的混合室，以低廉的費(fèi)用根據(jù)
溶氣氣浮法(DAF)生成大量超微細(xì)氣泡。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)的微氣泡發(fā)生裝置的概略結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置的概念圖3為圖2所示的微氣泡發(fā)生裝置的概略結(jié)構(gòu)圖4為圖3所示的加壓罐的適宜實(shí)施形態(tài)的簡略圖5為圖3所示的加壓罐變形例的示意圖6為圖5所示的加壓罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖7為用作本發(fā)明的參照圖而提供的聯(lián)機(jī)粒子計數(shù)器傳感器的詳細(xì)
圖8及圖9為用作本發(fā)明的參照圖而提供的根據(jù)氣泡發(fā)生器內(nèi)壓力的 氣泡大小分布以及平均氣泡大小的圖10及圖11為用作本發(fā)明的參照圖而提供的在4個大氣壓下根據(jù)吸 氣閥開口部大小的氣泡大小分布的圖12為用作本發(fā)明的參照圖而提供的本發(fā)明過飽和型(DAF)的氣泡 大小分布的圖13為用作本發(fā)明的參照圖而提供的混合室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖14為用作本發(fā)明的參照圖而提供的從噴嘴的一端流向另一端時所 產(chǎn)生的壓力損失概念圖15為用作本發(fā)明的參照圖而提供的軌道分析-碰撞效率的圖； 圖16為用作本發(fā)明的參照圖而提供的在5個大氣壓下絮凝物大小與殘留渾濁度之間關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明的基本原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
圖2所示的是根據(jù)本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置的概念性結(jié)構(gòu)，本發(fā)明微
氣泡發(fā)生裝置r的基本結(jié)構(gòu)是由吸入氣體和液體進(jìn)行混合的泵2'和把從
上述泵2'壓送的上述氣體和上述液體進(jìn)行再次混合的混合室3'構(gòu)成。
在混合室3，的入口和出口處分別延伸有配管4， 5，混合室3'入口處 的配管4連接上述泵2'。此外，泵2'的入口處設(shè)有2個配管6， 7，當(dāng)泵2' 被啟動時液體通過其中一個配管6流入，氣體通過另一配管7流入。上述 氣體進(jìn)入的配管7上設(shè)有吸氣閥7a而能夠調(diào)節(jié)供應(yīng)到泵2'的氣體量。另 外，混合室3，的出口處具備噴出上述經(jīng)再次混合的氣體和液體的混合物 的噴嘴8。
使用這種結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)泵2，的加壓力和上述噴嘴8以及對上述混合 室3'內(nèi)部結(jié)構(gòu)選擇性的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)上述混合室3，內(nèi)部壓力的調(diào)節(jié)，與此 同時在上述混合室3'的內(nèi)部發(fā)生大量的微氣泡，并通過混合室3'出口處的 配管5排出。圖2的未說明符號"3'a"是壓力計，"3'b"是排出口。
在本發(fā)明中，最為適宜的是上述氣體為大氣中的空氣、氧氣或臭氧， 上述液體為水。
下面對本發(fā)明的最為適宜的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說明。
在以下的實(shí)施例中前述的氣體可從一般空氣、氧氣或臭氧當(dāng)中選擇 使用。而且前述的液體可使用水。
圖3所示的是根據(jù)本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置的概略結(jié)構(gòu)，如圖所示， 本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置其基本結(jié)構(gòu)是泵10和對應(yīng)于上述圖2中混合室 3'的加壓罐20。
泵10的出口處通過配管(水管)11與加壓罐20的入口處連接，泵10的 入口處與加壓罐20的出口處分別引出延伸至蓄水槽15內(nèi)的配管(水管)
912， 13。
為調(diào)節(jié)從蓄水槽15流入的水，本發(fā)明在水管12的入水口12a和泵10 之間設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥14和止回闊16。而且上述水管12的入水口12a和泵10 之間連接吸入大氣中空氣的吸氣管17。本發(fā)明中吸氣管17的連接位置最 好是圖3所示的流量調(diào)節(jié)閥14和止回閥16之間。
吸氣管17延伸至蓄水槽15外部，吸氣管17上設(shè)有流量計18和三通閥 19。三通閥19的一側(cè)延伸有第一支管17a，從而使大氣中的空氣流入，在 三通閥19的另一側(cè)延伸有第二支管17b并使其與氧氣發(fā)生器(或臭氧發(fā)生 器，以下稱為氧氣/臭氧發(fā)生器)30連接。第一支管17a和第二支管17b根 據(jù)三通閥19的開閉方向可與吸氣管17連通，大氣中的空氣和氧氣/臭氧發(fā) 生器的氧氣或臭氧的供應(yīng)可根據(jù)三通閥19的開閉方向進(jìn)行選擇。
如圖3所示，上述第二支管17b上設(shè)有吸氣閥19a。吸氣閥19a調(diào)節(jié)供 應(yīng)到泵10內(nèi)的氧氣或臭氧的量，雖然未圖示，但為了同時調(diào)節(jié)大氣中通 過第一支管17a供應(yīng)的空氣量，也可以將其設(shè)置在吸氣管17上。而且在從 加壓罐20延伸出的上述水管13端部即出水口設(shè)有噴嘴13a，從而噴出包括 微氣泡的上述氣體和液體的混合物，并對其進(jìn)行控制。為此，上述噴嘴 13a為多孔形狀，并以可開閉的結(jié)構(gòu)形式為宜。
圖3的未說明符號"20a"為正壓計，"20b"為負(fù)壓計，"20c"為安全閥。
圖4所示的是圖3的加壓罐的一個實(shí)施形態(tài)，圖示了加壓罐內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的概略性形態(tài)。
如圖所示，加壓罐20具備流入口21和流出口22。由泵10壓送的水、 空氣或氧氣(或臭氧)的混合物通過流入口21進(jìn)入，流出口22則排出從上述 加壓罐20內(nèi)部生成的氣泡。
加壓罐20具有一定大小的內(nèi)部空間，具備橫穿流入處至流出處的內(nèi) 部空間并連接內(nèi)壁面的一個以上的板層23， 24， 25， 26。這些板層23， 24， 25， 26如圖所示，以一定間隔具備多個為宜，各板層23， 24， 25， 26上為使上述水、空氣或氧氣(或臭氧)的混合物流過，可形成如同孔口 (orifice)的孔23a， 23b， 24a， 25a， 25b， 26a。而且各板層23， 24， 25， 26上形成的孔23a， 23b， 24a， 25a， 25b， 26a的直徑和個數(shù)可根據(jù)通過
10該孔的混合物的所需壓力來選擇。
圖4的未說明符號"13a"為噴嘴(參照圖3)。
使用以上結(jié)構(gòu)，當(dāng)上述水、空氣或氧氣(或臭氧)的加壓混合物流入 到加壓罐20內(nèi)并從加壓罐20排出時，快速流過形成在各板層23， 24， 25， 26上的孔23a, 23b， 24a， 25a， 25b， 26a。
尤其是，上述加壓混合物離流出口22越近，具有越快的通過流速。 但是，離流出口22越近流體的通過流速越快，相反，其各板層上的流體 壓力會快速下降。這種短時間內(nèi)壓力的快速下降會引起比DAF法中發(fā)生 的極限pm大小的氣泡更小的氣泡發(fā)生，從而發(fā)生更多數(shù)量的微氣泡。
下面根據(jù)以上本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)，對由泵壓送的氣體 和液體的混合物流過加壓罐時引起變化的過程進(jìn)行說明。
對加壓罐20的水和空氣(氧氣或臭氧)的供應(yīng)通過泵10的啟動實(shí)現(xiàn)。 啟動泵10的同時，水順著第二水管12流入到泵內(nèi)部，與此同時大氣中的 空氣或氧氣/臭氧發(fā)生器30中生成的氧氣(或臭氧)通過吸氣管17流入到泵 IO內(nèi)得到混合。g口，根據(jù)三通閥19的開閉方向選擇空氣或氧氣(或臭氧) 的供應(yīng)，當(dāng)三通閥19關(guān)閉第二支管17b時，供應(yīng)大氣中的空氣，當(dāng)三通閥 19關(guān)閉第一支管17a時，供應(yīng)氧氣/臭氧發(fā)生器30中生成的氧氣(或臭氧)。
與水一同流入到泵10內(nèi)的空氣(氧氣或臭氧)通過泵10內(nèi)部葉輪(未圖
示)的旋轉(zhuǎn)形成第一次細(xì)微的散射，以溶于水中的狀態(tài)發(fā)生氣泡，并通過 第一水管11壓送到加壓罐20的內(nèi)部。從流入口21進(jìn)入到加壓罐20內(nèi)部的 上述水和空氣(氧氣或臭氧)的混合物流過各板層23， 24， 25, 26上的孔23a， 23b， 24a， 25a， 25b， 26a，與此同時各個孔23a， 23b， 24a， 25a， 25b， 26a的后側(cè)發(fā)生高湍流混合區(qū)域。
該區(qū)域的湍流引起劇烈的壓力變動，由于射流的壓力較低，產(chǎn)生負(fù) 壓力區(qū)域。在這些條件下，每當(dāng)產(chǎn)生急劇的壓力下降時發(fā)生氣泡，尤其 是如圖4所示，經(jīng)過的板層數(shù)量越多，產(chǎn)生的氣泡越多而且越小。
圖5為圖3所示的加壓罐變形例的示意圖，圖6為圖5所示的加壓罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖。
如圖所示，加壓罐20'以內(nèi)部室27和外部室28的雙重室結(jié)構(gòu)構(gòu)成。外 部室28的上端為密封形態(tài)，內(nèi)部室27以與外部室28的內(nèi)壁隔離的狀態(tài)形 成上端開放的形態(tài)。外部室28的表面具備連接到各水管11， 13(參照圖3) 的流入口21'和流出口22'，流入口21'和流出口22'向加壓罐20'的內(nèi)側(cè)方向 延伸有各配管20'a， 20'b。
最為適宜的是，從流入口21'延伸出的流入管20'a延伸至內(nèi)部室27的 底部，從流出口22'延伸出的流出管20'b通過內(nèi)部室27和外部室28之間的 隔離空間延伸至上述外部室28的底部。
下面根據(jù)加壓罐的變形例對壓送的氣體和液體的混合物流過加壓罐 時引起變化的過程進(jìn)行說明。
根據(jù)圖3的結(jié)構(gòu)，與水一同流入到泵10內(nèi)的空氣(氧氣或臭氧)通過泵 IO內(nèi)部葉輪(未圖示)的旋轉(zhuǎn)形成第一次細(xì)微的散射，以溶于水中的狀態(tài)發(fā) 生氣泡，并通過第一水管11流入到加壓罐20'的內(nèi)部。
通過加壓罐20'的流入口21'進(jìn)入的水和空氣(氧氣或臭氧)的混合物經(jīng) 過流入管20'a供應(yīng)到內(nèi)部室27，從內(nèi)部室27溢出的上述混合物(W)填充外 部室28的內(nèi)部，即上述外部室28和內(nèi)部室27之間的空間。
這時未得到完全溶解的空氣(A)從水中分離而填充加壓罐20'的內(nèi)側(cè) 上方空間，混合物通過上述流入管20'a繼續(xù)填充外部室28的內(nèi)部。在此過 程中加壓罐20'的內(nèi)部對混合物施加較大的壓力，水中溶解的空氣保持高 壓的壓縮狀態(tài)。
上述加壓混合物順著流出管20'b以漸快的速度上升，隨之順著延伸 至加壓罐20'外部的第三水管13排出，離第三水管13末端部的噴嘴13a(參 照圖3)越近，其流速越快，從而在流過上述噴嘴13a的瞬間具有最大的通 過流速。
與離噴嘴13a越近加壓混合物的通過流速越快，相反，上述混合物的 壓力快速下降，從而在流過噴嘴13a的瞬間具有最小壓力，在此過程中上 述混合物的溶解空氣中發(fā)生微氣泡。
12下降，水和空氣(或氧氣或臭氧)
的混合物能夠發(fā)生比DAF法中所生成的極限pm大小的氣泡更小的氣泡， 并將發(fā)生更多數(shù)量的微氣泡。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，利用非常簡單的系統(tǒng)開發(fā)了發(fā)生微氣泡的 氣泡發(fā)生裝置。而且根據(jù)本發(fā)明，提供能夠滿足低能源要求條件的同時 可發(fā)生微氣泡的氣泡發(fā)生器。另外，根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明者通過對氣泡 發(fā)生器的操作參數(shù)和混合室(加壓罐)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行變化從而能夠生成 20^im至100^im的所需平均大小的氣泡。
下面顯示根據(jù)本發(fā)明的微氣泡發(fā)生器的部分結(jié)論，并總結(jié)本發(fā)明的 開發(fā)意義。
微氣泡的大小通過圖像分析得以測定。微氣泡的大小通過肉眼，以 最為簡單而廣泛使用的方法被測定。該方法用于測試各氣泡大小，盡管
有高精度測量，但存在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)儀器及長時間測定的問題。因此該方 法在于測定多種大小的大量氣泡，其可靠性受到限制。
另一種方法是，測試氣泡的上升速度，然后根據(jù)斯托克斯定律 (Stoke'sLaw)計算大小。但是由于氣泡的大小不均勻，而且多數(shù)氣泡的上 升速度與單一氣泡的上升速度不一致，因此沒有通用方程式可根據(jù)上升 速度預(yù)測氣泡大小分布。
為克服這種缺點(diǎn)，本發(fā)明根據(jù)Han等人(2002b)的方法進(jìn)行了測定。 本發(fā)明中測定氣泡大小時使用的是聯(lián)機(jī)粒子計數(shù)器(Chemtrac Model PC2400D,USA)。該儀器提供能測定大小范圍的7個可調(diào)節(jié)通道。在本發(fā) 明的開發(fā)中，為提高測定的精確度，使用兩個相同的粒子計數(shù)器增加通 道數(shù)(參照圖7的"聯(lián)機(jī)粒子計數(shù)器的傳感器詳細(xì)圖")。
在圖7中，激光通過(保持樣品的)傳感器投射到檢測器上。當(dāng)樣品通 過傳感器時，光因?yàn)闅馀荻⑸渥儼?。光的散射及模糊感使到達(dá)檢測器 的光強(qiáng)度減少，光強(qiáng)度的減少與氣泡大小成比例。隨著激光強(qiáng)度的減少， 發(fā)生電壓脈沖。在此，脈沖數(shù)量表示氣泡數(shù)量，各脈沖的高度表示特定 氣泡的大小。使用盡可能保持短的直管，以在光到達(dá)傳感器前使可能的氣泡聚結(jié)
最小化。取樣流速是制造商所推薦的100ml/min。由于該方法無法區(qū)別氣 泡和粒子，而且為減少固體粒子的干擾，使用蒸餾水和去離子水?？瞻?實(shí)驗(yàn)表明幾乎所有殘留粒子具有10pm以下的直徑。粒子計數(shù)器的測定大 小范圍為2至100nm，增量為10pm，但忽略了第一通道(2-10pm)的結(jié)果。 在各組條件下，得到3個分布數(shù)據(jù)組，為了分析而使用平均值。
本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置由泵、加壓罐(混合室)、吸氣管(吸氣閥) 及噴嘴構(gòu)成。氣泡發(fā)生原理是將空氣和水同時吸入到泵內(nèi)。
分別吸入到泵內(nèi)的水和空氣在高壓下得到混合，空氣根據(jù)亨利定律 (Henry's law)溶解于水。在混合室內(nèi)部進(jìn)行再次混合。由于加壓水通過噴 嘴在大氣壓下排出，微氣泡因壓力下降而得以生成。
本發(fā)明的氣泡發(fā)生器和現(xiàn)有DAF系統(tǒng)的最大區(qū)別是，本發(fā)明的泵可 執(zhí)行循環(huán)泵、壓縮機(jī)以及加壓罐的功能。因此具有能夠以更簡單的系統(tǒng) 執(zhí)行DAF法的優(yōu)點(diǎn)(參照圖1與圖2)。
測定出混合室(加壓罐)的壓力，并在從噴嘴噴出之后確定氣泡的大 小與數(shù)量?？梢酝ㄟ^改變泵的壓力、進(jìn)入泵的空氣量以及混合室的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)與水力的特性，從而改變氣泡大小。將從氣泡發(fā)生器發(fā)生的氣泡大
小與從DAF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)生的氣泡大小進(jìn)行比較。
為確定混合室內(nèi)的壓力、流入泵內(nèi)的空氣量以及混合室的形狀(內(nèi)部 結(jié)構(gòu))的變化對氣泡大小的影響，進(jìn)行以下研究。
1)混合室內(nèi)的壓力影響
DAF法中的氣泡大小根據(jù)噴嘴前后的壓力差和噴嘴的形狀受到很大 的影響(AWWA, 1999)。壓力越大，氣泡大小越小。據(jù)悉在4-6個大氣壓(atm) 下，氣泡大小為大約10-100pm(平均40(im)(Edwald， 1995)。根據(jù)操作壓 力，由本發(fā)明氣泡發(fā)生器生成的氣泡大小分布以及平均氣泡大小圖示在 圖8與圖9 (根據(jù)氣泡發(fā)生器內(nèi)壓力的氣泡大小分布以及平均氣泡大小) 中。混合室內(nèi)的壓力可由泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨著壓力的增加，大小分布變小。 這意味著發(fā)生大量的更小氣泡。5個大氣壓和6個大氣壓下氣泡大小分布
幾乎一致。平均氣泡大小在高壓下更小。5個大氣壓下的平均氣泡大小為 34nm左右。由本發(fā)明氣泡發(fā)生器發(fā)生的氣泡大小的極限是34pm。 一些研 究人員指出，超過一定壓力時平均氣泡大小不會持續(xù)減小(DeRijk等人， 1994; Han等人，2002a; Rykaart和Haarhoff， 1995)。上述結(jié)果可根據(jù)他 們的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)作出解釋。
對本發(fā)明的氣泡發(fā)生器和DAF法進(jìn)行比較，在多種操作壓力(3-6個大 氣壓)下的平均氣泡大小和氣泡大小分布的峰值點(diǎn)如表l所示。將由本發(fā) 明的氣泡發(fā)生器生成的氣泡與在DAF法發(fā)生的氣泡進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在所 有的壓力下平均大小稍微更大。
表l
壓力(atm)3456
DAF平均氣泡大小Oim)41282928
氣泡大小分布的峰值點(diǎn)Oim)35252525
本發(fā)明的微氣 泡發(fā)生裝置平均氣泡大小(lim)42.937.734.134.2
氣泡大小分布的峰值點(diǎn)Oim)35251515
然而，觀察氣泡大小分布的峰值點(diǎn)，在5個大氣壓及6個大氣壓下由 本發(fā)明的氣泡發(fā)生器發(fā)生的氣泡平均大小大，但峰值點(diǎn)小。即，DAF系 統(tǒng)在超過4個大氣壓的壓力下氣泡大小無變化，而本發(fā)明的氣泡發(fā)生器在 超過5個大氣壓的壓力下氣泡大小無變化，而且能發(fā)生比DAF更小的氣泡。
2)流入泵內(nèi)的空氣量
為確定流入到泵內(nèi)的空氣量對氣泡大小的影響，將設(shè)置在泵前端的 吸氣閥的開口部大小變更為0.99mm2、 1.98mm2、 2.97mm2 (開口比分別為
1: 8、 2: 8、 3: 8)，然后測定氣泡大小。通過調(diào)節(jié)泵的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，而
使混合室內(nèi)的壓力保持在4個大氣壓。
圖10及圖11所示的是根據(jù)吸入閥開口部大小的氣泡大小分布及累積 分布，尤其是在4個大氣壓下根據(jù)吸氣閥開口部大小的氣泡大小分布。 0.99mm2 (開口比為l: 8)的開口部大小引起小氣泡(10-40pm)的發(fā)生，但
152.97mm2 (開口比為3: 8)的開口部大小引起相對較大的氣泡(50-100iam)發(fā) 生。為增加空氣體積，將閥開得越大，氣泡大小越大，而發(fā)生的氣泡數(shù) 量越少。而且，當(dāng)閥的開口部大小大于3.96mm"開口比為4: 8)時，混合 室內(nèi)部不會產(chǎn)生任何壓力。這是因?yàn)榭諝獾倪^吸入使泵內(nèi)部流體的平均 密度下降，導(dǎo)致效率的急速下降，從而減少吸入空氣的能力。當(dāng)開口部 大小小于0.99mm"開口比為l: 8)時，氣泡大小的發(fā)生保持一定數(shù)值。對 于本發(fā)明的氣泡發(fā)生器，吸入的空氣體積是微氣泡發(fā)生的重要操作因素。 因此，為發(fā)生小范圍大小的微氣泡，適當(dāng)操作吸氣闊尤為重要。
3)混合室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水力特性的影響
表2所示的是在固定壓力(5個大氣壓)下，DAF和混合室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在 變化前(BG1)和后(BG2)的平均氣泡大小和氣泡大小分布的峰值點(diǎn)。圖12 所示的是與過飽和型DAF比較的根據(jù)本發(fā)明氣泡發(fā)生器(BG1， BG2)獲得 的氣泡大小分布。圖10及圖11所示的是變更本發(fā)明氣泡發(fā)生器的混合室 內(nèi)部結(jié)構(gòu)后的氣泡發(fā)生的結(jié)果。當(dāng)BG2時，在固定壓力(5個大氣壓)下隨 著變更內(nèi)部結(jié)構(gòu)，獲得了比由DAF發(fā)生的氣泡更小的平均氣泡大小和峰 值點(diǎn)。SP，通過變更混合室內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了比限制大小(29pm)更小的氣 泡發(fā)生。因此能夠發(fā)生比DAF更多數(shù)量的小的微氣泡。
表2本發(fā)明氣泡發(fā)生器與過飽和型(DAF)的平均氣泡大一
壓力(5atm)DAFBG1BG2
平均氣泡大小(,)293422
氣泡大小分布的峰值點(diǎn)^m)251515
在DAF法的氣泡發(fā)生中，使循環(huán)水過飽和之后在大氣壓中的壓力迅 速下降導(dǎo)致微氣泡的發(fā)生。De Rijk等人(1994)根據(jù)以下的柏努利 (Bemoulli)方程解釋了這一現(xiàn)象(參照圖13的混合室內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及圖14的 從噴嘴的一端流向另一端時產(chǎn)生的壓力損失)。
尸o + 1/2pv20 = 7\ + l/2/Jv2k (柏努利方程)
由于Vk〉〉 Vo
所以/\ =尸0- l/2/ V2k
在此，尸。和V()分別為變窄之前的壓力和速率，i^和^分別為變窄處的
16壓力和速率。
當(dāng)加壓水流過噴嘴時，流速(^)很高，但壓力(A)很低?？卓诤蟛堪l(fā) 生高湍流混合區(qū)域。該區(qū)域的湍流引起強(qiáng)烈的壓力波動(變動)，由于射流 的壓力較低(^很高)，產(chǎn)生負(fù)壓力區(qū)域。在這些條件下，當(dāng)壓力發(fā)生急劇 下降時，發(fā)生氣泡(參照氣泡的發(fā)生原理)。
之所以在變更混合室內(nèi)部大小之后平均氣泡大小發(fā)生變化以及能生 成比DAF更多更小的微氣泡，就是因?yàn)檫@種急劇的壓力下降。
從BG2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中可以看到，其內(nèi)部具有較窄間隔的板組件，該
板上形成如同孔口的孔。加壓水從進(jìn)入到混合室內(nèi)開始到從混合室排出， 快速流過孔口板，加壓水離噴嘴越近，其具有的通過流速越快。這意味
著壓力在各板上下降。短時間內(nèi)壓力的快速下降，引起比由DAF發(fā)生的 極限pm大小的氣泡更小的氣泡發(fā)生，從而發(fā)生更多數(shù)量的微氣泡。在某 一壓力下發(fā)生多快的壓力下降是發(fā)生比極限大小(參照29pm)更小的氣 泡的重要因素。
4)氣泡大小和粒子去除效率之間的關(guān)系
包括Edzwald的單連接器模型、Tambo的異質(zhì)凝結(jié)以及Han的軌道分 析的模型化研究的目的在于確定接觸區(qū)域中氣泡和粒子之間的關(guān)系。
在Han的模型中，大于l]Lim的粒子隨著粒子大小的增加，具有增加的 碰撞效率，并且當(dāng)氣泡大小和粒子大小相同時具有最高效率。當(dāng)粒子大 小大于氣泡大小時效率稍微減少。但是，當(dāng)粒子密度與實(shí)際絮凝物 (1.2g/cm"相同時，如圖15所示，效率沒有任何下降。如果是更低的絮凝 物密度(1.01g/cm3)，碰撞效率也沒有減少(參照圖15的軌道分析-碰撞效率 (氣泡大小為35(im))。
圖16所示的是在5個大氣壓下絮凝物大小與殘留渾濁度之間的關(guān)系。 效率漸漸上升直到一定點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，即使絮凝物大小增加，在循環(huán) 比為4%與10%時，效率保持無變化狀態(tài)。無任何變化的點(diǎn)是約3(Him，該 點(diǎn)類似于在5個大氣壓下29pm的氣泡大小。類似的傾向在以下條件下表 現(xiàn)明顯。在循環(huán)比為4%與10%時，氣壓為2、 3、 4個大氣壓，這意味著圖 16所示的結(jié)果與Han的模型一致。
17因此，本發(fā)明的氣泡發(fā)生器可將平均氣泡大小調(diào)節(jié)至2(Him，參照上 述模型可處理更小的粒子，而且經(jīng)過批實(shí)驗(yàn)得出，本發(fā)明的氣泡發(fā)生器 具有在絮凝物生成方法中無需增加其大小的優(yōu)點(diǎn)。
在DAF法中，氣泡大小被認(rèn)為是相當(dāng)重要的參數(shù)。為使氣泡大小更 小，傾注了很多努力，但尚未生成平均大小小于30pm的氣泡。本發(fā)明為 達(dá)到目標(biāo)氣泡大小，開發(fā)了以十分簡單的系統(tǒng)構(gòu)成的新氣泡發(fā)生器。而 且通過變更操作條件和混合室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可選擇性生成所需大小的氣 泡。
如上所述的本發(fā)明微氣泡發(fā)生裝置在處理更輕的粒子上，比現(xiàn)有沉 淀方法具有優(yōu)點(diǎn)。
除了應(yīng)用于食用水及廢水處理以外，本發(fā)明也可適用于多種領(lǐng)域。 例如，預(yù)處理費(fèi)用很高或無法實(shí)現(xiàn)的問題領(lǐng)域，如湖水或海上藻類的去 除，或者禁止添加藥劑的醫(yī)藥方法中可采用本發(fā)明的方法。
另外，本發(fā)明也可利用于浴池水中發(fā)生氣泡而使用的泡沫浴，這是 在浴池的底部用發(fā)動機(jī)發(fā)生小氣泡并利用該小氣泡可達(dá)到與按摩相同效 果的沐浴方法，當(dāng)氣泡發(fā)生時生成的超音波對皮膚給予壓縮和弛緩的刺 激從而得到溫?zé)嵝Ч?。尤其是?dāng)氣泡的直徑為lmm以下時稱作超音波浴， 這對肌肉痛、皮膚美容、外傷后遺癥等具有治療效果。此外，氣泡附著 于在水面散射的空氣中的陽離子，水表面附近負(fù)空氣離子增多，這時負(fù) 空氣離子具有鎮(zhèn)定效果，對穩(wěn)定心情和消除壓力具有效果。
本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置通過高速開閉的電子閥如同脈沖波間斷吸 入混合在浴池水的外部氣體，從而使散射在浴池的外部氣體混合物中的 氣泡超微細(xì)化。浴池水也因超微細(xì)氣泡變?yōu)閴A性，并可發(fā)生超音波和負(fù) 離子使浴池水如牛奶一樣柔和。
而且，根據(jù)超微細(xì)氣泡的毛孔滲透力和浮力，可去除堆積在入浴者 毛孔深處的脂肪和雜質(zhì)，同時向皮膚深處供應(yīng)氧氣，從而實(shí)現(xiàn)清洗皮膚、 去除角質(zhì)、皮膚保濕、美白、增進(jìn)皮膚彈力等皮膚美容效果，也可得到 改善過敏或痤瘡、腳癬、濕疹等皮膚疾患的效果，對疲勞恢復(fù)、消除宿 醉、體溫升高、改善血液循環(huán)、解消失眠癥也有效果。
18不僅如此，本發(fā)明脫離了利用電磨擦的人為方式，具有以超微細(xì)氣 泡的自然方式發(fā)生負(fù)離子而促進(jìn)入浴者新陳代謝的效果。
另外，因?qū)Πl(fā)生微氣泡的結(jié)構(gòu)及部件等裝置實(shí)現(xiàn)了整體的小型化及 簡單化，因此易于設(shè)置、移動及使用裝置等操作和管理。
綜上所述，本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置以泵和加壓罐為主要結(jié)構(gòu)，以
簡單的結(jié)構(gòu)和低廉的費(fèi)用，混合空氣與水生成平均大小為20-100pm的氣泡。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)具體如下。
(1) 本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置具備比現(xiàn)有DAF氣泡發(fā)生系統(tǒng)更簡單的 結(jié)構(gòu)。泵同時起到循環(huán)泵、壓縮機(jī)與加壓罐的作用。而且以簡單的操作 就可調(diào)節(jié)混合室內(nèi)的壓力和吸入到泵內(nèi)的氣泡的體積。
(2) 使用本發(fā)明的微氣泡發(fā)生裝置，可根據(jù)混合室內(nèi)的壓力和吸入的 空氣體積獲得小于34pm的平均氣泡大小。吸入空氣的體積和壓力的變化 決定氣泡大小，根據(jù)本發(fā)明，在混合室內(nèi)部結(jié)構(gòu)使空氣和水得到充分混 合，并使加壓水迅速移動，就可獲得很小的氣泡，例如22nm的氣泡大小 或者比它還小的氣泡大小。
(3) 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型的結(jié)果可以看出，氣泡大小表示被去除的粒子 大小范圍。即，氣泡大小越小，能被去除的粒子范圍越小。因此，本發(fā) 明的微氣泡發(fā)生裝置可發(fā)生20-100(im以下的所需大小的微氣泡，可幫助 改善DAF法的效率。
在實(shí)施例中，將空氣或氧氣(或臭氧)混合到水中發(fā)生微氣泡，但不 限于此，包括空氣或氧氣(或臭氧)的可溶解于液體的所有氣體都可適用于 本發(fā)明的原理。關(guān)于液體，只要是可溶解所述氣體的液體，根據(jù)用途適 合于該用途的任何液體均可以，包括水。如上所述，在不脫離本發(fā)明思 想的同時，符合使用用途的任何氣體和流體的混合物也屬于本發(fā)明的權(quán) 利范疇。
權(quán)利要求
1.一種通過對氣體的量和混合室的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)而發(fā)生微氣泡的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，它包括泵和混合室，其中，所述泵吸入氣體和液體進(jìn)行混合；所述混合室收容從所述泵壓送的所述氣體和所述液體進(jìn)行再次混合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，還包括噴出在所述混合室被再次混合的所述氣體和所述液體的混合物的噴嘴。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，所述噴嘴 是可開閉的多孔型噴嘴。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，在所述混 合室中，板排列成至少一個以上的層，所述板上形成用于使所述氣體和 所述液體的混合物流過的多個孔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，所述混合 室具有由上端密封的外部室和與所述外部室的壁隔離并且上端開放的內(nèi) 部室構(gòu)成的雙重室結(jié)構(gòu)，與所述混合室的入口處相連接的流入管延伸至 所述內(nèi)部室的底部，與出口處相連接的流出管通過所述內(nèi)部室和所述外 部室之間的隔離空間延伸至所述外部室的底部附近。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，所述泵的 前方還設(shè)有吸氣閥，從而調(diào)節(jié)流入泵的氣體的量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，所述泵的 出口處通過第一水管與混合室的入口處連接，所述泵的入口處和混合室 的出口處分別延伸有置于蓄水槽內(nèi)的第二水管和第三水管，所述第一水 管和第三水管分別與所述混合室的流入口和流出口連接，所述第二水管 上設(shè)有用于吸入大氣中氣體的吸氣管，所述吸氣管上設(shè)有三通閥，所述三通閥的一側(cè)與貫通大氣的第一支管連接，所述三通閥的另一側(cè)通過第 二支管與氧氣發(fā)生器或臭氧發(fā)生器連接，所述第一支管和第二支管根據(jù) 所述三通閥的開閉方向與所述吸氣管進(jìn)行選擇性連通。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，為調(diào)節(jié)從 蓄水槽流入的水的供給，在所述第二水管的入水口和所述泵之間設(shè)有流 量調(diào)節(jié)閥和止回閥。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，所述吸氣 管在所述流量調(diào)節(jié)閥和所述止回閥之間與所述第二水管連接。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，所述氣體 為空氣、氧氣或臭氧。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微氣泡發(fā)生裝置，其特征在于，所述液體 為水。
12. —種通過對氣體的量和混合室的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)而發(fā)生微氣泡的微氣泡發(fā)生方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟將氣體和液體 分別吸入到泵內(nèi)的步驟；通過所述泵時所述氣體和液體被打碎，進(jìn)行混 合的步驟；經(jīng)所述泵將被所述泵混合的所述氣體和所述液體壓送流入混 合室的步驟；所述氣體和所述液體進(jìn)行再次混合，所述混合室的內(nèi)部形 成預(yù)定內(nèi)壓的步驟；從所述混合室向外噴出得到的經(jīng)再次混合的所述氣 體和所述液體的混合物的步驟。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的微氣泡發(fā)生方法，其特征在于，所述氣 體和所述液體的混合物通過位于所述混合室一側(cè)的噴嘴噴出。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的微氣泡發(fā)生方法，其特征在于，所述噴嘴是可開閉的多孔型噴嘴。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的微氣泡發(fā)生方法，其特征在于，在所述混合室中，板排列成至少一個以上的層，所述板上形成用于使所述氣體 和所述液體的混合物流過的多個孔。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的微氣泡發(fā)生方法，其特征在于，所述混 合室具有由上端密封的外部室和與所述外部室的壁隔離并且上端開放的 內(nèi)部室構(gòu)成的雙重室結(jié)構(gòu)，與所述混合室的入口處相連接的流入管延伸 至所述內(nèi)部室的底部，與出口處相連接的流出管通過所述內(nèi)部室和所述 外部室之間的隔離空間延伸至所述外部室的底部附近。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的微氣泡發(fā)生方法，其特征在于，所述泵 的前方還設(shè)有吸氣閥，從而調(diào)節(jié)流入所述泵的氣體的量。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的微氣泡發(fā)生方法，其特征在于，所述氣 體為空氣、氧氣或臭氧。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的微氣泡發(fā)生方法，其特征在于，所述液 體為水。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以溶氣氣浮法(DAF)生成大量超微細(xì)氣泡的微氣泡發(fā)生裝置，其由泵、混合室和噴嘴構(gòu)成。其中，泵分別吸入氣體和液體進(jìn)行混合；混合室收容從該泵壓送的氣體和液體進(jìn)行再次混合；噴嘴從該混合室噴出得到的經(jīng)再次混合的氣體和液體的混合物。在該混合室中，板排列成至少一個以上的層，該板上形成用于使氣體和液體的混合物流過的多個孔，該泵的前方設(shè)有吸氣閥，從而調(diào)節(jié)流入該泵的氣體的量。由于這種結(jié)構(gòu)，根據(jù)該吸氣閥的開口大小和吸氣室內(nèi)部的壓力大小可調(diào)節(jié)微氣泡的大小分布。因此，本發(fā)明能夠利用泵和變形形態(tài)的加壓罐根據(jù)溶氣氣浮法(DAF)以低廉的費(fèi)用生成大量超微細(xì)氣泡。
文檔編號C02F1/74GK101541690SQ200880000027
公開日2009年9月23日 申請日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
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