专利名称：气泡产生装置和方法
气泡产生装置和方法本发明通常涉及用于产生泡的装置，具体而言，涉及用于产生微气泡的装置及其各种用途。本发明还包括制造所述装置的方法和产生微气泡的方法。微气泡的形成已被充分研究并报道了研究领域。最近，人们已关注利用直径为微米水平的微气泡的各种方法，并且已经提出了用于产生微气泡的各种设备。用于形成气泡的一些常用技术包括压缩气体以使空气溶解于液体流，然后通过喷嘴释放以通过空化而形成气泡；在液体表面下送递空气流，其中以机械方式或者通过搅动或剪切力使气泡脱离；以及超声波诱发的空化。在通过利用叶片和气泡喷射流由剪切力将空气引入水流中而产生空气泡的系统中，经常需要使用较高转数来产生空化。然而，产生了问题，例如通过产生空化而导致的能 量消耗增加和叶片侵蚀或振动。此外，这一技术并不适于产生大量微气泡。之所以需要微气泡，是因为它们提供了各种极好的作用，这些作用已经用于许多工业领域，包括植物栽培、水产养殖、废水处理等。降低微气泡的直径来增加它们相对于其体积的表面积是有效的，由此扩大气泡与周围液体之间的接触面积，因此，当气泡尺寸降低时，可以发生更多的质量传递过程。在废水处理厂中，已知的是，使污水或污泥充气，作为废水纯化过程的一部分。通常，通过管和/或软管系统，在含有废水和细菌絮状物的曝气槽底部附近引入气体。随着空气以空气泡形式升至表面，空气中的一些氧被转移到废水中，并且被降解细菌(respiringbacteria)在消化过程中消耗,这有助于污水处理。供应给细菌的氧气越多，消化过程越有效。因此，需要提供更小的气泡，由此进一步增强消化过程的效率。如果为了曝气目的而进行喷雾，则在生物反应器和发酵罐存在相似的需要。具体而言，如果生长和增殖的酵母细菌因呼吸而需要恒定的氧补充，则酵母制造业就存在这种需要。然而，在利用常规型微气泡产生系统的曝气系统中，例如，基于注入的扩散系统，甚至当提供微孔隙时，当在压力下通过孔隙注入空气泡时，每个气泡的体积扩大，并且每个气泡的直径由于注入过程中气泡的表面张力而增加至数毫米。这种方法在产生小直径的微气泡中遇到了困难。与这种方法有关的另一问题在于，孔隙的堵塞，这降低了系统的效率。小气泡的另一项应用是，在油剩余很少或者油被锁定在沙地中的某些场所中对难以提升的油储存物(oil reserves)进行提取。使气体通过这种含油储存物(oil-bearingreserves)的冒泡过程具有提升油的作用，因为气泡在引力下上升并使油与其一起上升。气泡在水中形成，并且被泵入井或者储存物中，并且当气泡通过储存物时，油被携带于每一气泡的气体与水之间的界面上。因此，气泡越小，用于运输油的相对表面积越大。因此，期望以比迄今已知方式更方便且有效的方式产生微气泡。一般的理解是，为了减小微气泡尺寸，唯一的要求是减小形成气泡的孔隙尺寸。然而，这种理解是考虑不周到的，原因有许多。这些原因中的首要一个是，气泡被“固定”于形成它的衬底材料，并持续膨胀，直到气泡由于某些破坏力而挣脱。这种力量可以是例如随着气泡的发展而施加于气泡的浮力、惯性力或剪切力。界面张力控制着通过将气泡固定于表面而保持该气泡所用的力。这样，必须考虑三种相互作用-液体与固体衬底之间的相互作用，Yls，[mN/m]；-液体与气体(即空气)之间的相互作用，Ylg,[mN/m];以及-固体衬底与气体(即空气)之间的相互作用，Ysg, [mN/m]。这些因素的相对贡献控制着气泡生长的属性以及气泡能脱离表面的容易程度。
dy"除了上述以外，气泡生成的速率一独立于孔尺寸，并且可以表示为 dt
drb F— = -7 公式⑴
dt 4/77；,其中F是气体通过孔的流速，rb是气泡的半径。这意味着气泡越小，生成的速率越快，并且这可以从图I明显地看出，图I表示气泡通过直径30微米的单个孔的快速生成。已经观察到，气泡或多或少同时在穿孔或烧结的材料表面上形成。因为气泡从孔中摆脱进入液体中，因此假定气泡的形状是半径(r)和高度(h)的球冠，如在图I中所示。因此，下述公式给出了气泡的体积 V =七 Ir (3厂—A)公式(2)
3在平分线之间存在几何关系，其允许将公式(2)转化为单个变量h，从而
(r h2 h31V = π —---公式(3)
12 6J鉴于恒定压差Λ P=Pci-P1，气泡的体积生长速率dV/dt等于气体通过孔的流速F。微分恒等式
dV dh dV-=——.-公式(4)
dt dt dh公式(4)可以用于给出气泡生成的线性速率
dh 2F— = —5厂77公式(5)
dt π(Γ(； +fr)公式(5)的数值解给出了气泡半径的生长速率，如在图2中所示。图2所示的分析与气泡或多或少同时在穿孔或烧结材料的表面上形成的观察结果一致。可以观察到，气泡半径在O. 01秒内从4=15 μ m的最初状态非常快速地生长至250 μ m的半径(O. 5mm直径)。然后是相对稳定的生长速率。因此公式(5)的解也与观察结果一致。根据Young-Laplace方程，已知的是，当气泡为最小半径rb时,实现气泡内的最大压力ΛΡ
2^AP = i3气泡_部一 P气泛外部 =了公式￠)
rb其中Y是液体/气体界面张力。
当气泡为与其所穿过的孔的半径相同的半球时，气泡的半径最小，这因此构成了气泡内的最大压力点；这称为突破压力。期望提供在气泡生长得过大之前从衬底表面除去气泡并使其进入液体的装置和方法。可能期望例如产生直径为100微米或更小、并优选50微米或更小的微气泡。根据下述描述，本发明如何解决了与已知技术有关的缺陷，并提供迄今未预料的或对于已知构造有可能性的许多其他优势，这些将变得显而易见。本发明人假定，如果空气的流动F能够在到达气泡的突破压力时停止，则孔中的残余压力会使气泡膨胀至小尺寸，随后可以在流动重新开始之前，使之与表面分开。会在供给气泡的孔中形成空气的存储器，所述孔的深度为δ并且半径为r。。根据波义耳定律(Boyle’ s law)，最初状态和气泡突破(即下标“O”)能与最终状态(即下标“I”)有关P0V0 = P1V1公式(7)下述公式给出了最初和最终状态的体积
权利要求
1.用于产生微气泡的装置，包括衬底，所述衬底具有穿过其的孔，每个孔包括气体入口和气体出口，其中所述气体出口的宽度大于所述气体入口的宽度； 其中平均气体入口宽度为约2微米至10微米；和/或 其中平均气体出口宽度为约5微米至100微米；和/或 其中所述入口直径为所述出口直径的1/10至1/5。
2.如权利要求I所述的装置，其中每个孔的横截面形状为选自圆形、三角形、正方形、长方形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形和十边形的一种。
3.如权利要求I或2所述的装置，其中所述装置是多孔元件。
4.如权利要求I至3中任一权利要求所述的装置，其中所述气体出口的宽度比所述气体入口的宽度大一个数量级。
5.如权利要求I至4中任一权利要求所述的装置，其中所述孔从所述气体入口向所述气体出口有规则地逐渐变细。
6.如权利要求I至4中任一权利要求所述的装置，其中所述孔从所述气体入口向所述气体出口不规则地逐渐变细。
7.如权利要求I至6中任一权利要求所述的装置，其中所述衬底上的孔密度为400个孔 /cm2 至 10000 个孔 /cm2。
8.如权利要求I至7中任一权利要求所述的装置，其中所述衬底具有正方形排列，并且所述衬底上的孔密度为1000个孔/cm2至2500个孔/cm2。
9.如权利要求I至8中任一权利要求所述的装置，其中所述衬底的厚度为约20微米至1000微米。
10.如权利要求I至9中任一权利要求所述的装置，其中所述衬底的厚度为约50微米至100微米。
11.如权利要求I至10中任一权利要求所述的装置，其中所述气体入口宽度为所述气体出口宽度的约0. I至0.2倍。
12.如权利要求I至11中任一权利要求所述的装置，其中所述平均气体出口宽度为约20微米至50微米。
13.如权利要求I至12中任一权利要求所述的装置，其中在所述衬底的整个长度上，所述气体出口和/或气体入口的宽度变化不大于10%，优选小于1%。
14.如权利要求I至13中任一权利要求所述的装置，其中所述气体出口宽度约为期望的气泡尺寸宽度的一半，其中优选地，所述期望的气泡尺寸为50微米至100微米。
15.如权利要求I至14中任一权利要求所述的装置，其中所述衬底具有朝向所述孔的气体出口的活性表面。
16.如权利要求15所述的装置，其中至少一部分的所述活性表面由亲水材料形成或者涂有亲水材料。
17.如权利要求I至16中任一权利要求所述的装置，其中朝向所述孔的气体入口的至少一部分表面由疏水材料形成或涂有疏水材料。
18.如权利要求I至17中任一权利要求所述的装置，其中至少一部分的所述孔的内部涂有疏水材料。
19.如权利要求I至18中任一权利要求所述的装置，其中所述衬底是细长元件。
20.如权利要求15至19中任一权利要求所述的装置，其中所述气体出口包括从所述活性表面突起的边缘。
21.如权利要求I至20中任一权利要求所述的装置，其包括烧结玻璃或金属粉末、塑料、多孔膜、网以及钻孔或穿孔板中的一种或多种。
22.如权利要求21所述的装置，其包括不锈钢箔和/或聚酰亚胺膜。
23.如权利要求I至17中任一权利要求所述的装置，其中每个孔的横截面形状是圆形的，并且所述气体入口和气体出口的宽度为所述气体入口和气体出口的直径。
24.如权利要求23所述的装置，其中从所述气体入口朝向所述气体出口的锥形角度相对于每个孔的纵轴为约6°至26°，优选为10°至15°。
25.如权利要求23或24所述的装置，其中每个孔为截头锥形。
26.制造用于产生微气泡的装置的方法，其包括步骤 -提供衬底；以及 -在预定位置对所述衬底穿孔，并且孔具有预定的宽度。
27.如权利要求26所述的方法，其中对所述衬底穿孔的步骤包括使用激光。
28.产生微气泡的方法，其包括步骤 -提供权利要求I至25中任一权利要求所述的装置； -向所述孔供应液体；以及 -通过所述孔经由每个孔的气体入口供应气体。
29.如权利要求28所述的方法，其中供给所述液体穿过所述孔，以引导所述液体流。
30.用于氧化还原燃料电池的阴极电解质再生系统，其包括室；用于接收从所述电池的阴极区进入所述室的还原的氧化还原介体对的第一入口 ；用于将氧化的氧化还原介体对供给至所述电池的阴极区的第一出口 ；用于接收氧化剂供给的第二入口 ；以及用于从所述室排出气体、水蒸气和/或热的第二出口，与所述第一入口流体连通的阴极电解质通道，具有活性表面的权利要求I至25中任一权利要求所述的装置，并且所述阴极电解质通道设置为邻近或朝向所述活性表面引导阴极电解质流。
31.如权利要求30所述的阴极电解质再生系统，其中所述装置包括孔，所述孔的平均直径为约5微米至100微米。
32.如权利要求30或31所述的阴极电解质再生系统，其中所述装置包括孔，所述孔的平均直径为约20微米至50微米。
33.如权利要求30至32中任一权利要求所述的阴极电解质再生系统，其中至少一部分的所述活性表面由亲水材料形成或涂有亲水材料。
34.如权利要求30至33中任一权利要求所述的阴极电解质再生系统，其中除了所述活性表面以外，至少一部分的所述装置由疏水材料形成。
35.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在产生微气泡中的用途。
36.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在氧化还原燃料电池的阴极电解质再生系统中的用途。
37.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在使用小的氧气泡处理污水中的用途。
38.权利要求I至26中任一权利要求所述的装置在使用小的氧气泡培养和繁殖酵母菌中的用途。
39.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在使用小的二氧化碳气泡碳化饮料中的用途。
40.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在从含油储存物中除去油以致当小气泡通过所述储存物冒泡时油被携带于每一小气泡的气体与液体的界面之间的用途。
41.用于产生微气泡的装置，其基本如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
42.制造用于产生微气泡的装置的方法，其基本如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
43.产生微气泡的方法，其基本如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
44.用于氧化还原燃料电池的阴极电解质再生系统，其基本如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
45.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在产生微气泡中的用途，其基本上如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
46.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在氧化还原燃料电池的阴极电解质再生系统中的用途，其基本上如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
47.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在使用小的氧气泡处理污水中的用途，其基本上如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
48.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在使用小的氧气泡培养和繁殖酵母菌中的用途，其基本上如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
49.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在使用小的二氧化碳气泡碳化饮料中的用途，其基本上如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
50.权利要求I至25中任一权利要求所述的装置在从含油储存物中除去油以致当小气泡通过所述储存物冒泡时油被携带于每一小气泡的气体与液体的界面之间的用途，其基本上如本文所限定，并且参考图3至9且如图3至9所示。
全文摘要
公开了用于产生微气泡的装置(1)，其包括衬底(3)，所述衬底具有穿过其的孔(5)，每个孔包括气体入口(7)和气体出口(9)，其中气体出口的宽度大于气体入口的宽度。还公开了制造所述装置的方法和产生微气泡的方法。
文档编号B01F3/04GK102781561SQ201180010747
公开日2012年11月14日 申请日期2011年3月1日 优先权日2010年3月2日
发明者布赖恩·克拉克森, 罗伯特·朗曼 申请人:Acal能源公司