本实用新型是一种制备产生微气泡的装置，可用于污水处理、河流湖泊水污染治理、农业栽培、水厂养殖、生物制药等领域。
背景技术：
曝气指将空气中的氧强制向液体中转移的过程，其目的是获得足够的溶解氧。水体内的有机物污染物与溶解氧接触，实现对有机物的氧化降解；水体中的好氧微生物通过溶解氧才能生存繁殖，在这个过程中对有机污染物完成生化降解作用。曝气技术目前被广泛用于污水处理、河流湖泊水污染治理领域。
通过曝气，可以使植物的根系处于富氧环境，植物根系微生物更加活跃，植物根系的呼吸作用更为顺畅，可以提高植物的抗倒伏性、抗病性、叶面面积和分蘖作用，从而实现作物增产。
通过曝气，可以增加水中的溶解氧，在水产养殖过程中为鱼、虾、贝类等水产品提供更多的氧，从事实现养殖密度和产量的增加。
目前的曝气技术主要由气泵、输气管、曝气头组成，气泵给出加压空气，通过输气管输送到曝气头，曝气头安装在水下，由橡胶、陶瓷等材料制成，表面设有小孔。加压空气从曝气头表面的小孔挤出并进入水中产生气泡，气泡在水中通过气-液界面完成氧的传输，增加水中的溶解氧。目前曝气技术的主要缺陷主要表现在三个方面：
1、产生的气泡粒径大，表面张力不均匀，在水中存活时间短；
2、气泡粒径大，氧转移效率低，曝气效率低；
3、气泵功率大，能耗大。
由于双膜理论和范德华力等原理，目前工程界已经取得了“当气泡粒径越小时，气泡的存活时间越长、氧转移效率越高，曝气装置的曝气效率也就越高”的共识。
技术实现要素：
为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种微气泡发生装置，该装置能产生出粒径在100纳米～3微米不等的微小气泡，有效地解决了问题。
本实用新型所采用的技术方案是：
一种微气泡发生装置，该装置包括内腔体、内腔顶盖、扩散板、主轴、主轴套筒、进气管、进水管、叶轮、电机；所述内腔体为圆筒形，其底部敞口，内腔体的顶面中央设有主轴安装孔；内腔顶盖设于主轴安装孔外部，内腔体顶面通过法兰与内腔顶盖相连；所述主轴位于内腔体内并与内腔体同轴设置，所述的主轴安装孔和内腔顶盖上均设有轴承，主轴的上端穿过内腔体顶面的主轴安装孔轴承，并通过内腔顶盖轴承与内腔顶盖连接，主轴的下端延伸出内腔体底部，与电机相连；在所述内腔体内的上部设有2个圆形扩散板，上扩散板沿周向固定在内腔体内壁上，上扩散板中央设有轴承，主轴从轴承通过，下扩散板固定在主轴上，上下2个扩散板上按等角度设有开槽；内腔体上还设有进气管和进水管，所述进气管和进水管位于上扩散板的上方；一叶轮镶嵌在内腔体底部敞口外的主轴上；一主轴套筒同轴固定于主轴外侧，所述主轴套筒位于下扩散板与叶轮之间；所述主轴受电机驱动并带动叶轮、主轴套筒和下扩散板转动。
本实用新型中，所述下扩散板与内腔体内壁之间不接触，有间隙。
本实用新型中，所述轴承均为密封轴承。
本实用新型中，进气管可采用橡胶或塑料软管制成，进气管一端露出水面，另一端与装置的内腔相连。空气在负压作用下通过进气管进入内腔。
进水管采用不锈钢材料制成，一端露出与水体接触，另一端与内腔相连。水在负压作用下通过进水管进入内腔。
本实用新型所述装置，为了对工作部分起到保护作用，还可以在内腔体外设置一外筒，内腔体与外筒固定连接，所述进气管和进水管穿过外筒壁进入内腔体。外筒可采用不锈钢材料制成。具体地，外筒与内腔体底部固定连接、外筒顶面与内腔体顶面进行固定连接。由于内腔顶盖突出于内腔顶面，当设置外筒时，可在外筒顶面的中央开孔，使其不遮挡内腔顶盖。
本实用新型中，内腔上部设有2个扩散板，采用不锈钢材料制成。2个扩散板都按照等角度切开16个槽。上扩散板通过轴承穿过主轴，固定在内腔的内壁上。下扩散板与主轴连接，在主轴的带动下转动。从进气口吸入的空气和进水口吸入的水冲击到上扩散板，形成气水混合液。下扩散板随主轴转动，当下扩散板的开槽与上扩散板的开槽相对时，气水混合液在负压的的作用下被吸入内腔与主轴套筒的间隙；当错开时，气水流被阻隔，不能进入内腔与主轴套筒的间隙。随着主轴的转动，下扩散板开槽与上扩散板开槽反复交替地相对、错开，使气水混合液以间歇的形式进入空隙。
上述微气泡发生装置中，所述内腔体的内壁上可以设有若干纵向凹槽，每两个相邻的凹槽的中心点与内腔体轴心的连线所形成的夹角是相等的。主轴套筒外壁上也设有与内腔体上数量相同的纵向凹槽，主轴套筒上每两个相邻的凹槽的中心点与内腔体轴心的连线所形成的夹角是相等的。在上述内腔体的凹槽及主轴套筒的凹槽内都设置磁体；且内腔体凹槽镶嵌的磁体磁极方向与主轴套筒外壁凹槽镶嵌的磁体磁极相同。
具体地，内腔体凹槽及主轴套筒凹槽的横截面为等边梯形，槽口宽、槽底窄。优选地，凹槽侧边与槽口的夹角为45°。内腔体凹槽及主轴套筒凹槽的数量各为8个。
主轴套筒采用不锈钢材料制成，与主轴连接，随主轴转动。主轴套筒的外壁按等角度设有8个磁体槽，磁体槽内镶嵌磁体，磁体槽两侧被加工成45°角。当主轴套筒的磁体槽与内腔的磁体槽相对时，间隙的空间变大，压力变小，气水混合液的流速变慢，此时在两块磁体间产生磁力线，通过磁力线切割气水混合液，产生微气泡；当两个槽错开时，间隙变小，压力变大，气水混合液的流速加快，此时由于两块磁体错开，磁力线消失，磁体槽被加工成45°角的两侧对气水混合液和产生的微气泡产生搅拌和分散作用。
本实用新型中，叶轮采用铸铁方式制成，与主轴连接，随主轴转动。叶轮的上表面按照等角度铸造有12个叶片，叶片成弧形，在转动时把内腔底部的水排出，从而在底部区域产生负压。
本实用新型中，电机采用潜水电机，可以在水下工作。电机驱动轴与主轴连接，带动主轴进行同步转动。
本实用新型通过负压吸入空气和水、间歇进水、磁力线、腔内压力反复变化等方式完成对气水混合液的切割、分散、混合，产生出粒径在100纳米～3微米不等的微小气泡。
本实用新型具体的有益效果包括以下几个方面：
(1)与曝气头产生的气泡相比，本实用新型产生的气泡粒径更小，达到微米和纳米级别。检测结果显示，粒径100纳米的气泡数量达到2x105个/毫升。目前曝气头所产生的气泡粒径在100微米～1毫米，无法达到10微米以下和纳米级别。
(2)本实用新型产生的微气泡比目前的曝气气泡粒径更小，所以能够增加气泡在水体内与液相的接触面积，提高了氧转移率，氧利用率也就越高。气泡粒径越小，单位体积内所容纳的气泡数量也就越多，气泡总的比表面积也就越大，氧转移效率也就越高。例如，将直径1毫米的气泡分散成直径1微米的微气泡，则气泡的总比表面积增加了1x104倍。经检测，本实用新型的氧利用率达到60％以上，而曝气头的氧利用率只有20％左右。
(3)水气混合液在通过磁场被磁力线切割的同时产生放电效应，因此，在产生微气泡的同时，气泡表面携带电荷。在电荷的同性相斥作用下，微气泡之间不会产生并聚现象，从而解决了目前曝气技术所产生的小气泡在水中很快与其他气泡发生并聚，结合成大气泡而加速溃灭的问题，达到延长气泡在水中存活时间的目标。
(4)本实用新型的功率为0.8kW，结合高的氧利用率，在达到同样增氧量时，能耗只有目前曝气系统的30％，实现了高效节能曝气。
(5)本实用新型采用负压原理向装置内吸入空气和水，不需要另行配置风机、泵房、输气管道等辅助设施。
(6)本实用新型安装在水下工作，与目前的曝气系统相比，不需配套建设泵房、输气管道等，安装简便，可靠性高，维修简便。
(7)本实用新型在水下工作，没有噪音污染问题。
附图说明
图1是本实用新型示意图。其中：1-外筒、2-内腔体、3-进水管、4-主轴套筒、5-主轴、6-叶轮、7-电机、8-进气管、9-内腔顶盖、10-上扩散板、11-下扩散板。
图2是本实用新型的主轴套筒横截面
图3是本实用新型内腔横截面
图4是本实用新型的扩散板俯视图
图5是本实用新型产生的气泡的粒径检测统计图，x轴是气泡粒径，单位是纳米。Y轴是每毫升水中所含的气泡数量，量级是10的6次方，单位是“个”。
具体实施方式
作为一个优选的方案，如图1，本实用新型的微气泡发生装置，外形是圆筒形，包括外筒1、内腔体2、进水管3、主轴套筒4、主轴5、叶轮6、电机7、进气管8、内腔顶盖9、上扩散板10、下扩散板11。所述内腔体2为圆筒形，其底部敞口，内腔体2的顶面中央设有主轴安装孔；内腔顶盖9设于主轴安装孔外部，内腔体顶面通过法兰与内腔顶盖9相连；所述主轴5位于内腔体2内并与内腔体2同轴设置，主轴安装孔和内腔顶盖9上均设有轴承，主轴5的上端穿过内腔体顶面的主轴安装孔轴承，并通过内腔顶盖轴承与内腔顶盖9连接，主轴的下端延伸出内腔体底部，主轴5的下端延伸出内腔体2底部，与电机7相连；在所述内腔体7内的上部设有两个圆形扩散板，上扩散板10沿周向固定在内腔体2内壁上，上扩散板中央设有轴承，主轴由轴承通过，下扩散板11固定在主轴5上，上下两个扩散板上按等角度设有开槽；内腔体2上还设有进气管8和进水管3，所述进气管8和进水管3位于上扩散板10的上方；一叶轮6镶嵌在内腔体2底部敞口外的主轴上5；一主轴套筒4同轴固定于主轴5外侧，所述主轴套筒4位于下扩散板11与叶轮6之间；所述主轴5受电机7驱动并带动叶轮6、主轴套筒4和下扩散板11转动。
装置安装在水下后，启动电机。主轴5与电机7连接，电机启动后，主轴5随电机7转动，连接在主轴5上的叶轮6也随主轴同步转动。叶轮6的高速转动把内腔2底部的水向外排开，形成负压区。
在负压作用下，空气通过进气管8进水内腔2，水通过进水管3进入内腔2，水和气在内腔2的上部进行第一次混合。
气水液在负压作用下向下流动，冲击上扩散板10，完成第二次混合。上扩散板10通过轴承穿过主轴5固定在内腔2上。
下扩散板11与主轴5连接，随主轴5同步转动。扩散板俯视图如图4，两个扩散板都按照等角度切开16个槽。当下扩散板11的开槽与上扩散板10的开槽相对时，气水混合液在负压作用下被吸入主轴套筒4与内腔2的间隙；当下扩散板11的开槽与上扩散板10的开槽错开时，气水混合液只能冲击上扩散板10完成混合作用，不能进入主轴套筒4与内腔2的间隙。通过上下扩散板开槽的反复交替的相对-错开，让气水混合液以间歇的方式进入间隙。
主轴套筒横截面如图2，内腔体横截面如图3。内腔2的内壁和主轴套筒4的外壁都按照等角度开有8个磁体槽，槽的两侧加工成45°的倒角，槽内镶嵌磁体。内腔2上的磁体与主轴套筒4上的磁体的磁极相同。主轴套筒4与主轴5连接，随主轴同步转动。气水混合液进入内腔2与主轴套筒4的间隙后，当主轴套筒4上的磁体转到与内腔2的磁体相对时，产生磁力线对流经的气水混合液进行切割，产生微小气泡。此时，由于两个槽体相对，间隙的空间变大，气水混合液的流速变慢，有利于磁力线的切割。当两个磁体错开时，磁力线消失，间隙的空间变小，气水混合液的流速变快，此时，利用槽体的45°倒角对气水混合液和产生的微气泡进行搅拌分散。当磁场出现时，气水混合液产生电势效应，使微气泡表面携带上电荷。随着主轴5的高速转动，磁体反复相对-错开，磁场反复出现，对气水混合液的切割作用也反复实现。同时，间隙内的空间变化也随之反复出现，提高了搅拌分散作用的效率。
气水混合液经过内腔2与主轴套筒4的间隙后成为气泡液，在负压作用下流出内腔，经过叶轮旋转扩散进入水体。叶轮甩出气泡液后，负压再次形成。由于电机以1800rpm的转数持续进行高速转动，负压区可持续形成，完成装置的连续工作。
本实用新型的装置的效果经华东师范大学水环境与界面科学研究中心验证。检测用水采用反渗透膜制备的纯净水。设备启动10分钟后停机，气泡液流经检测仪器进行检测和数据记录，结果如图5显示，粒径100纳米的气泡数量达到2x105个/毫升。