一种纳米气泡形成系统及形成方法

本发明属于纳米，涉及一种纳米气泡的产生方法，更具体的涉及一种粒径及均匀性可控的纳米气泡形成方法。

背景技术：

1、一般情况下，纳米气泡是指尺寸小于500nm的气泡。严格意义上来说，纳米气泡的尺寸小于100nm。与普通的大气泡相比，纳米气泡具有比表面积大、稳定性高等特点，在细胞培养、疾病诊疗等高端领域有特殊的应用前景。目前，气液混合法是主流的纳米气泡产生方式，该方法适用面广，但在气液混合形成纳米气泡过程中，往往伴随着大量微气泡的生成，微气泡消失后，溶液中剩余的气泡方为纳米气泡。这类方法产生纳米气泡效率低，纳米气泡粒径和均匀性可控性差，而且气泡尺度无法达到真正意义上的纳米(<100nm)。因此，如何避免纳米气泡形成过程中微米气泡的产生，得到粒径及均匀性可控，并且在尺度上达到真正意义上的纳米(<100nm)，是纳米气泡研究领域亟需解决的技术难题。

技术实现思路

1、为克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出了一种能够在纯水(或水溶液)中产生稳定性好、浓度高(>108个/ml)、粒径均匀、且尺寸小(颗粒集中分布在100nm以下)的纳米气泡分散液，为纳米气泡相关基础与应用研究提供有力的技术支持。

2、本发明提出的纳米气泡形成系统，包含气泡快速分级单元、气体置换单元、液体注入单元、气体输入单元、气泡微细化单元、温度控制单元、压力控制单元和系统控制单元。其中，气体置换单元、液体注入单元、气体输入单元、气泡微细化单元分别通过管道与所述气泡快速分级腔体连通，气体输入单元通过管道与气体分散单元连通，气体分散单元与气泡微细化单元连通；温度控制单元调控纳米气泡形成系统的温度；压力控制单元通过改变第一腔体的容积调控纳米气泡形成系统的压力；系统控制单元调控纳米气泡形成系统的运作。

3、本发明提出了一种纳米气泡形成系统，包括：

4、气泡快速分级单元1，用于气泡微细化单元6得到的微细化气泡快速分级，大气泡上浮重新凝并成连续相气体，进入气体输入单元4，分级后的气泡分散液进入气体分散单元5，并协同气泡微细化单元6形成纳米气泡；

5、气体置换单元2，用于将第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5、三号管道41、四号管道45和五号管道66中的空气置换成特定气体(如n2、o2、h2、sf6等)，第一腔体11与第二腔体63通过气体分散单元5连通；

6、液体注入单元3，用于向第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5和五号管道66中加注纯水(或水溶液)；

7、气体输入单元4，用于向第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5、三号管道41、四号管道45和五号管道66中输入特定气体(如n2、o2、h2、sf6等)；

8、气泡微细化单元6，用于气体分散单元5中得到气泡分散液进一步细化，并协同气泡快速分级单元1形成纳米气泡；

9、温度控制单元7，用于控制第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5和五号管道66中纯水(或水溶液)的温度；

10、压力控制单元8，通过改变第一腔体11的容积，调控控制第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5和五号管道66中纯水(或水溶液)的压力；

11、系统控制单元9，用于控制气体置换单元2、液体注入单元3、气体输入单元4、气泡微细化单元6、温度控制单元7和压力控制单元8运行。

12、本发明提出的纳米气泡形成系统中，

13、所述气泡快速分级单元1，包括：第一腔体11，其用来进行气泡微细化单元6得到的微细化气泡快速分级，得到的气体进入气体输入单元4，得到的气泡分散液进入气体分散单元5；刚性叶片12，其用来促进不同尺寸的气泡在第一腔体11中的快速分级；柔性器壁13，其与压力控制单元8的机械部分81协同，调控第一腔体11的容积；第一单向电磁阀14，用来排放第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5以及管道中的空气。

14、进一步地，刚性叶片按照附图2交叉方式布置。

15、所述气体置换单元包括：一号管道21，其用来连通第一腔体11和高压钢瓶23；第二单向电磁阀22，用来控制高压钢瓶23气体进入第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5以及管道中；高压钢瓶23，用来将第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5以及管道中的空气置换特定气体(如n2、o2、h2、sf6等)。

16、进一步地，高压钢瓶23压力在10atm～50atm；优选地，为20atm。

17、所述液体注入单元3包括：二号管道31，其用来连通供液部分33和第一腔体11；第三单向电磁阀32，用来控制供液部分33纯水(或水溶液)进入第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5以及五号管道66；供液部分33，用来将纯水(或水溶液)注入第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5以及五号管道66。

18、所述液体注入单元3中供液部分33进一步包括：储液器331，其用于将储存纯水(或水溶液)；一号驱动器332，其用于将储液器中的纯水(或水溶液)注入第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5以及五号管道66。

19、所述气体输入单元4包括：三号管道41，其用来连通供气部分44和第一腔体11；第四单向电磁阀42，用来控制第一腔体11中的气体进入储气器441；第五单向电磁阀43，其用来控制供气部分44气体进入气体分散单元5。

20、所述气体输入单元4中供气部分44进一步包括：储气器441，其用于储存气体；二号驱动器442，其用于将储气器441、三号管道41和四号管道45中的气体增压至第一腔体11与第二腔体63液体相同压力。

21、所述气泡微细化单元6包括：气泡细化器61，将气体分散单元5中得到气泡分散液进一步细化；第二腔体63，在其中将气体分散单元5中得到气泡分散液进一步细化；单向阀65，用于控制液体从从第二腔体63流入第一腔体11；五号管道66，用于连通第一腔体11和第二腔体63；第六单向电磁阀62，用来控制第一腔体11、第二腔体63及管道中纳米气泡分散液的输出；终端处理器64，用于纳米气泡分散液的进一步均化。

22、进一步地，气泡细化器61包括胶体磨、均质机、旋涡泵、乳化机等。

23、更进一步地，胶体磨，转速为3000～15000rpm；均质机，转速为3000～20000rpm；旋涡泵为多级漩涡泵(1～5级)，转速为2000～10000rpm；乳化机，转速为3000～30000rpm。

24、所述温度控制单元7包括：热量交换部分71，用于恒温液与第一腔体11中液体热量的交换，维持第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5以及五号管道66中液体的温度；恒温箱72，用于维持恒温液的温度。

25、进一步地，所述恒温箱72的温度控制灵敏度为0.1～0.5℃，优选地，为0.1℃。

26、所述压力控制单元8包括：机械部分81，用于调节第一腔体11的容积；压力传感器82，置于第一腔体11中，用于探测第一腔体11液体的压力；机械控制器83，用于控制机械部分81，使第一腔体11液体达到特定的压力(1～5atm)。

27、进一步地，压力传感器的灵敏度为0.1～0.2atm，优选地，为0.1atm。

28、所述系统控制单元9，用于控制所述气体置换单元2、液体注入单元3、气体输入单元4、气泡微细化单元6、温度控制单元7和压力控制单元8运行。

29、基于以上系统，本发明还提出了一种纳米气泡产生，包括如下步骤：

30、步骤一：系统连接。系统各部分按照要求连接好。

31、步骤二：气体置换。开启系统控制单元9，首先，关闭第一单向电磁阀14、第三单向电磁阀32和第六单向电磁阀62，开启第二单向电磁阀22、第四单向电磁阀42与第五单向电磁阀43，将第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5、三号管道41、四号管道45和五号管道66填充特定气体(如n2、o2、h2、sf6等)至一定压力，然后，开启第一单向电磁阀14放气。

32、进一步地，所述一定压力，一般在2～10atm，优选地，为3atm。

33、更进一步地，上述操作循环2～5次，优选地，为3次。

34、步骤三：试剂准备。将一定体积的特定气体(如n2、o2、h2、sf6等)和一定体积的纯水(或水溶液)分别储存在储气器441和储液器331中。

35、进一步地，所述一定体积气体与一定体积水，其体积比为1:100～20:100，优选地，为10:100。

36、步骤四：液体注入。开启系统控制单元9，首先，关闭第二单向电磁阀22、第三单向电磁阀32、第四单向电磁阀42、第五单向电磁阀43和第六单向电磁阀62，开启第一单向电磁阀14，然后，打开第三单向电磁阀32，启动液体注入单元3，利用一号驱动器332将储存在储液器331中纯水(或水溶液)注入第一腔体11、第二腔体63、气体分散单元5和五号管道66；液体注满后，关闭第一单向电磁阀14，将储液器331中剩余的纯水(或水溶液)继续注入第一腔体11中，至纯水(或水溶液)注完为止，使其中的液体达到一定压力。

37、进一步地，所述一定压力，一般在1～5atm，优选地，为2atm。

38、步骤五：系统的恒温。开启系统控制单元9，运行温度控制单元7，在一定温度下，将系统中的纯水(或水溶液)恒温一定时间。

39、进一步地，所述一定温度，一般在5～50℃，优选地，为30℃。

40、更进一步地，所述一定时间，一般在10～30min，优选地，为20min。

41、步骤六：系统液体压力控制。开启系统控制单元9，运行压力控制单元8，随时调节系统中纯水(或水溶液)的压力至一定值。

42、进一步地，所述一定压力值，一般指维持第一腔体11与第二腔体63注入液体时的压力，一般在1～5atm，优选地，为2atm。

43、步骤七：系统气体压力控制。开启系统控制单元9，运行二号驱动器442将储气器441中的气体增压至系统液体相同的压力值。

44、进一步地，所述系统液体压力值，一般在1～5atm，优选地，为2atm。

45、步骤八：纳米气泡的形成：开启系统控制单元9，运行气泡细化器61，打开第四单向电磁阀42和第五单向电磁阀43，启动气体输入单元4，利用负压效应将储气器441中的气体吸入气体分散单元5，实现气体在液体中分散，形成气泡分散液，气泡分散液进入气泡微细化单元6进一步细化，细化后的气泡分散液进入气泡快速分级单元1，在其中实现气泡的快速分级，大气泡凝并成气体进入气体输入单元4。在系统各单元的协同作用下，在一定时间内，气体在纯水(或水溶液)中形成纳米气泡。

46、所述一定时间，为1～10min；

47、进一步地，所述一定时间，一般在1～10min；优选地，为5min。

48、步骤九：开启系统控制单元9，打开第六单向电磁阀62，经终端处理器64，输出纳米气泡分散液。

49、根据以上方法制备的纳米气泡的粒径为60-100nm。

50、本发明的有益效果在于：与现有技术相比，(1)本发明可以制备出粒径100nm以下的纳米气泡；(2)本发明可一步制备纳米气泡，不出现微米气泡的干扰；(3)本发明具有快速，高效的特点，一般几分钟即可完成；(4)本发明得到的纳米气泡具有粒径可控、浓度高及均匀性好的特点；(5)本发明为纳米气泡相关基础研究，以及在新材料、育种、疾病诊疗等方面应用研究提供有力的技术支持。

51、本发明解决了水体中一步法快速制备纳米气泡的难题，也解决了纳米气泡数密度低、可控性差等问题。本发明提供的纳米气泡形成系统既可用做相关领域的科学研究(制备数密度大、均匀性及稳定性好的纳米气泡)，又可应用于实际过程(纳米气泡的均匀性及稳定性可调)，为纳米气泡相关基础研究及应用提供有力的技术支持。