一种微细气泡的尺寸分级方法及其应用与流程

1.本发明属于高分子材料应用及颗粒筛分领域，涉及一种微细气泡的尺寸分级方法及其应用，具体涉及一种基于水系滤膜的微细气泡的尺寸分级方法及其应用。


背景技术：

2.体相微细气泡是指直径小于1000nm的气泡，包括纳米尺度的气泡。近年来，微细气泡引起了广泛的关注并应用到了多个领域，例如促进农作物生长，废水处理，表面清洁，泡沫浮选和疾病治疗等。同时对于微细气泡特性的机理研究也在持续开展中，于是对微细气泡的单分散性有了更高的要求。
3.目前微细气泡的发生方法主要包括溶气析出气泡、引气制造气泡和电解析出气泡等。常见的制备窄尺寸分布微细气泡的方法主要通过在气泡发生过程中利用一定孔径的滤膜对气体进行有效切割，但所用滤膜价格昂贵且易碎。在微细气泡的发生中常见的滤膜主要为聚合物高分子材料滤膜和多孔氧化铝滤膜。但目前对宽尺寸分布的微细气泡尺寸分级研究未有太多进展。
4.cn112608504a公开了一种用于产生微纳米气泡的交联磺化聚芳醚砜、制备方法和交联磺化聚芳醚砜膜，属于高分子材料技术领域。该发明提供了一种用于产生微纳米气泡的交联磺化聚芳醚砜的制备方法，该方法先制备含磺酸基聚芳醚砜聚合物材料，然后通过加入交联剂并在紫外光源照射下搅拌，得到用于产生微纳米气泡的交联磺化聚芳醚砜。该发明还提供一种包括上述用于产生微纳米气泡的交联磺化聚芳醚砜制备得到的交联磺化聚芳醚砜膜。该发明制备的交联磺化聚芳醚砜膜在水中能够产生均一稳定的微纳米气泡，并可将产生的微纳米气泡用于商业化超滤膜污染清洗过程，以去除商业化超滤膜使用过程中有机污染物对其造成的膜污染。但该发明并没有提供微纳米气泡的分级方法。
5.因此，在本领域中，期待开发一种操作简单、快捷的微细气泡的尺寸分级方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微细气泡的尺寸分级方法及其应用，具体涉及一种基于水系滤膜的微细气泡的尺寸分级方法及其应用。本发明的尺寸分级方法对微细气泡具有较好的尺寸分级效果，并且具有操作简单、快速，过滤器可重复利用、价格低廉等优点。
7.在本发明中，微细气泡指的是直径小于1000nm的气泡。
8.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供一种微细气泡的尺寸分级方法，所述微细气泡的尺寸分级方法包括以下步骤：
10.(1)微细气泡的发生：将气泡发生器的进水口和出水口一同放入水中，调节出水口阀门，启动气泡发生装置，得到微细气泡水溶液；
11.(2)微细气泡的过膜：减压抽取步骤(1)产生的微细气泡水溶液，然后加压注射通
过过滤装置，得到分级后的微细气泡水溶液；
12.(3)微细气泡的尺寸确定：将步骤(2)得到的分级后的微细气泡水溶液用动态光散射进行测量。
13.本发明的微细气泡尺寸分级方法具有良好的尺寸分离、分级效果，快速，样品处理量大，并且操作简单、快捷，可重复、成本低。
14.本发明中，微细气泡是利用商业化气泡发生装置在超纯水中产生的。本发明所用的气泡发生装置为气泡发生器，购于杭州洗悦新材料技术有限公司，型号为axy-200z-nc。超纯水由密理博direct-q5uv超纯水机制备。但微细气泡并不一定是要在超纯水中产生，也可利用纯水、自来水甚至河水、湖水制备。
15.优选地，步骤(1)所述调节出水口阀门为将出水口阀门调至最大，对于本发明使用的型号为axy-200z-nc的气泡发生器，将阀门调至最大时，出水口的流量为3000ml/min。
16.优选地，步骤(1)所述气泡发生装置的工作条件为：空气室温进气流量为60-600ml/min，例如60ml/min、100ml/min、150ml/min、200ml/min、250ml/min、300ml/min、350ml/min、400ml/min、450ml/min、500ml/min、550ml/min或600ml/min等，发生时间为5-40min，例如5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min或40min等。
17.优选地，步骤(2)所述减压抽取为采用带有压力的装置进行抽取，例如采用泵推动注射器抽取。
18.优选地，所述泵包括正位移工作方式的泵，例如kds210注射泵等。
19.优选地，所述注射器包括针管注射器，例如无针无橡胶塞的5ml注射器等。采用无橡胶塞注射器可以避免橡胶塞对气泡溶液污染造成测量上的误差。
20.优选地，步骤(2)所述加压注射的速度为1-20ml/min，例如1ml/min、2ml/min、3ml/min、5ml/min、8ml/min、10ml/min、12ml/min、13ml/min、15ml/min、18ml/min或20ml/min等。
21.基于滤膜对颗粒具有较好的截留分离效果，并考虑到微细气泡具有一定的变形特性，在通过滤膜时可能具有一定的形变，因此本发明考察了宽尺寸分布气泡水的过滤速率(即加压注射时的注射速度)对其尺寸分布范围的影响，得到最优条件。
22.优选地，步骤(2)所述过滤装置为装配有滤膜的过滤器。
23.优选地，所述滤膜包括水系滤膜。
24.优选地，所述水系滤膜包括水系聚醚砜滤膜，例如津隆水系聚醚砜(pes)滤膜。
25.优选地，步骤(2)所述滤膜的孔径为0.1-1.0μm，例如0.1μm、0.15μm、0.22μm、0.30μm、0.45μm、0.65μm、0.70μm、0.80μm或1.0μm等。过滤器的直径为25mm。
26.微细气泡的尺寸测量采用的是malvern zetasizer nano zs动态光散射(dls)，采用的分散剂为20℃水。测量参数为：20℃水的粘度为1.0031cp，折射率1.330。采用石英比色皿pcs1115作为测量容器。测试样品尺寸前对超纯水进行测试，检测结果为超纯水无光散射信号，表明超纯水中无微细气泡的存在。
27.第二方面，本发明提供第一方面所述的微细气泡的尺寸分级方法在获得窄尺寸分布微细气泡中的应用。
28.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
29.本发明微细气泡的尺寸分级方法对微细气泡具有良好的尺寸分离、分级效果，并且操作简单、快捷，样品处理量大，可重复、成本低。
附图说明
30.图1为采用实施例1-6及对比例1的尺寸分级方法得到的微细气泡的尺寸范围图。
31.图2为采用实施例7-12及对比例1的尺寸分级方法得到的微细气泡的尺寸范围图。
32.图3为孔径为0.45μm的水系pes滤膜的sem图。
33.图4为孔径为0.22μm的水系pes滤膜的sem图。
具体实施方式
34.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
35.实施例1
36.在本实施例中提供一种微细气泡的尺寸分级方法，所述微细气泡的尺寸分级方法包括以下步骤：
37.(1)微细气泡的发生：取1l超纯水装入1l的烧杯中，将气泡发生器的进水口和出水口一同放入烧杯中，调节出水口的流量至3000ml/min，启动气泡发生器，调整空气流量为400ml/min，持续循环20min，得到微细气泡水溶液；
38.(2)微细气泡的过膜：采用泵推动无针无橡胶塞的注射器减压抽取5ml步骤(1)产生的微细气泡水溶液，以1ml/min的速度加压注射通过孔径为0.45μm的津隆水系pes滤膜，得到分级后的微细气泡水溶液，接入10ml的洁净玻璃瓶中；
39.(3)微细气泡的尺寸确定：将步骤(2)得到的分级后的微细气泡水溶液用移液枪取1ml进行动态光散射测量。
40.实施例2-6
41.实施例2-6与实施例1不同之处仅在于，步骤(2)中的注射速度分别为3ml/min(实施例2)、5ml/min(实施例3)、10ml/min(实施例4)、15ml/min(实施例5)、20ml/min(实施例6)，其他条件均与实施例1相同。
42.实施例7
43.在本实施例中提供一种微细气泡的尺寸分级方法，所述微细气泡的尺寸分级方法包括以下步骤：
44.(1)微细气泡的发生：取1l超纯水装入1l的烧杯中，将气泡发生器的进水口和出水口一同放入烧杯中，调节出水口的流量至3000ml/min，启动气泡发生器，调整空气流量为400ml/min，持续循环20min，得到微细气泡水溶液；
45.(2)微细气泡的过膜：采用泵推动无针无橡胶塞的注射器减压抽取5ml步骤(1)产生的微细气泡水溶液，以1ml/min的速度加压注射通过孔径为0.22μm的津隆水系pes滤膜，得到分级后的微细气泡水溶液，接入10ml的洁净玻璃瓶中；
46.(3)微细气泡的尺寸确定：将步骤(2)得到的分级后的微细气泡水溶液用移液枪取1ml进行动态光散射检测。
47.实施例8-12
48.实施例8-12与实施例7不同之处仅在于，步骤(2)中的注射速度分别为3ml/min(实施例8)、5ml/min(实施例9)、10ml/min(实施例10)、15ml/min(实施例11)、20ml/min(实施例12)，其他条件均与实施例7相同。
49.对比例1
50.本对比例与实施例1不同之处仅在于，不包括步骤(2)，直接对步骤(1)产生的微细气泡水溶液进行动态光散射检测。
51.采用实施例1-6及对比例1的尺寸分级方法得到的微细气泡的尺寸范围图如图1所示，其中，星形为dls峰值。
52.从图1中可以看出，对于超纯水产生的气泡不经过过滤器过滤，直接进行动态光散射检测(对比例1)，其尺寸分布较宽，而使用过滤器过滤后，可以减小气泡的最大尺寸(实施例1-6)。由于气泡具有可变形性，在一定范围内(过滤速率：1-20ml/min)，过滤速率越高，微细气泡的尺寸分级效果越好，而当过滤速率为20ml/min时，微细气泡的最大尺寸已不大于所用滤膜的孔径尺寸。
53.采用实施例7-12及对比例1的尺寸分级方法得到的微细气泡的尺寸范围图如图2所示，其中，星形为dls峰值。
54.从图2中可以看出，对于超纯水产生的气泡不经过过滤器过滤，直接进行动态光散射检测(对比例1)，其尺寸分布较宽，而使用过滤器过滤后，可以减小气泡的最大尺寸(实施例7-12)。由于气泡具有可变形性，在一定范围内(过滤速率：1-20ml/min)，过滤速率越高，微细气泡的尺寸分级效果越好，而当过滤速率为15ml/min时，微细气泡的最大尺寸已不大于所用滤膜的孔径尺寸。
55.孔径为0.45μm的水系pes滤膜的sem图如图3所示。孔径为0.22μm的水系pes滤膜的sem图如图4所示。水系pes滤膜是由聚醚砜超细纤维热熔粘连在一起制成的一种膜，孔径均匀性较差，但对气泡有一定的截留效果。
56.申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的微细气泡的尺寸分级方法及其应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。