納米氣泡的生成系統以及生成方法
2023-06-08 04:54:41
納米氣泡的生成系統以及生成方法
【專利摘要】本發明利用非常簡易的構成和工藝來提供納米氣泡在液相中穩定存在的納米氣泡的生成系統和生成方法。本發明的納米氣泡的生成系統具備：生成室，所述生成室以密閉狀態收容存在於上側的氣相部分和與氣相部分的下側接觸的液相部分；過飽和溶解液體生成裝置，所述過飽和溶解液體生成裝置生成氣體以過飽和的狀態溶解於液相部分而得到的過飽和溶解液體；和納米氣泡生成裝置，所述納米氣泡生成裝置藉助具有納米尺寸的開口直徑的貫通孔將加壓後的氣體供給至所述過飽和溶解液體中，由此生成直徑小於1μm的納米氣泡。
【專利說明】納米氣泡的生成系統以及生成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及納米氣泡的生成系統以及生成方法。
【背景技術】
[0002]以往，對於含有納米氣泡、即具有小於I μ m (IOOOnm)的直徑的氣泡的液體(以下稱為含納米氣泡的液體)來說，由於納米氣泡在液相中的停留時間比微米氣泡(直徑為幾微米?幾十微米)更長，因此據稱清洗、殺菌和除臭的效果提高。作為在液相中產生納米氣泡的納米氣泡產生裝置，提出了各種各樣的技術，例如有以下的技術。
[0003]專利文獻I公開了在混合有氣體的水中噴射高壓的水，從而使其與納米氣泡產生裝置的壁面等碰撞，利用該衝擊來產生納米氣泡。
[0004]專利文獻2公開了使混合了氣體和液體的流體在具有圓筒狀結構的裝置中流動，並以高速旋轉,從而利用由此產生的紊流來剪切氣體，由此來產生納米氣泡。
[0005]專利文獻3公開了在含有微米氣泡等微細氣泡的液相中施加超聲振動，從而利用該振動使微米氣泡等崩潰，產生納米氣泡。
[0006]現有技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特開2009-195889號公報
[0009]專利文獻2:日本特開2008-272719號公報
[0010]專利文獻3:日本特開2006-289183號公報
【發明內容】
[0011]發明所要解決的問題
[0012]專利文獻I的發明或專利文獻2的發明分別試圖利用衝擊力或利用混合氣相與液相而成的高速旋流來生成微小的氣泡，但是所得到的氣泡直徑不均勻，有難以控制氣泡直徑之類的問題。另外，專利文獻3的發明是基於溶解於液相中的氣體來產生納米氣泡，有難以使產生納米氣泡後的液相中的過飽和度穩定之類的問題。
[0013]另外，由楊-拉普拉斯公式可以認為:縮小至納米級的氣泡內部為高壓狀態。據稱在這樣的高壓狀態下，根據亨利定律，納米氣泡內所包含的氣體會溶解於周圍的液相中，因此納米氣泡會逐漸縮小，從而早晚會消失，欠缺液相中的穩定性。
[0014]因此，本發明所要解決的技術問題在於，利用非常簡易的構成和工藝來提供納米氣泡在液相中穩定存在的納米氣泡的生成系統和生成方法。
[0015]用於解決問題的手段
[0016]為了解決上述技術問題，本發明提供以下的納米氣泡的生成系統和生成方法。
[0017]S卩，本發明的納米氣泡的生成系統的特徵在於，其具備:生成室，所述生成室以密閉狀態收容存在於上側的氣相部分和與氣相部分的下側接觸的液相部分；過飽和溶解液體生成裝置，所述過飽和溶解液體生成裝置生成氣體以過飽和的狀態溶解於液相部分而得到的過飽和溶解液體；和納米氣泡生成裝置，所述納米氣泡生成裝置藉助具有納米尺寸的開口直徑的貫通孔將加壓後的氣體供給至所述過飽和溶解液體中，由此生成直徑小於Iym的納米氣泡。
[0018]本發明的納米氣泡的生成系統中，所述過飽和溶解液體生成裝置優選將加壓後的氣體供給至所述生成室的氣相部分。
[0019]本發明的納米氣泡的生成系統中，所述過飽和溶解液體生成裝置優選藉助貫通孔將加壓後的氣體供給至所述生成室的液相部分。
[0020]本發明的納米氣泡的生成系統中，所述過飽和溶解液體生成裝置優選兼作所述納米氣泡生成裝置。
[0021]本發明的納米氣泡的生成系統中，優選還具備對所述生成室的液相部分進行攪拌的攪拌裝置。
[0022]本發明的納米氣泡的生成系統中，優選還具備水流產生裝置，所述水流產生裝置用於促進由所述納米氣泡生成裝置生成的納米氣泡從所述納米氣泡生成裝置平穩地脫離。
[0023]本發明的納米氣泡的生成系統中，所述貫通孔優選分別以大於開口直徑的三倍的距離分隔。
[0024]本發明的納米氣泡的生成系統中，所述生成的納米氣泡優選為單分散。
[0025]同樣地，本發明的納米氣泡的生成方法的特徵在於，其包括下述工序:以密閉狀態將存在於上側的氣相部分和與氣相部分的下側接觸的液相部分收容於生成室；生成氣體以過飽和的狀態溶解於液相部分而得到的過飽和溶解液體；和藉助具有納米尺寸的開口直徑的貫通孔將加壓後的氣體供給至所述過飽和溶解液體中，由此生成直徑小於I μ m的納米氣泡。
[0026]發明效果
[0027]在以密閉狀態收容有氣相部分和液相部分的生成室中，生成了氣體以過飽和的狀態溶解於液相部分而得到的過飽和溶解液體，在該過飽和溶解液體中生成納米氣泡，因此可以起到下述這樣的效果:能夠利用非常簡易的構成和工藝來生成在液相部分中穩定存在的納米氣泡。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是示意性地對本發明的一個實施方式的納米氣泡的生成系統和生成方法進行說明的圖。
[0029]圖2是表示利用本發明的納米氣泡的生成方法所生成的氣泡的粒度分布的圖。
[0030]圖3是表示利用比較例的納米氣泡的生成方法所生成的氣泡的粒度分布的圖。
【具體實施方式】
[0031]下面，參照圖1對本發明的一個實施方式的納米氣泡5的生成系統I和生成方法進行詳細說明。
[0032]如圖1所示，本發明的納米氣泡5的生成系統I具備:即便加壓也會保持密閉狀態的生成室10 ;將被加壓為高壓後的氣體6供給至生成室10的氣瓶(加壓氣體供給裝置)12 ；將被加壓為高壓後的氣體6供給至微孔單元20的氣瓶(納米氣泡生成用氣體供給裝置)13 ；和產生納米氣泡5的微孔單元(納米氣泡生成裝置)20。氣瓶12經由壓力調節閥14與生成室10連接。氣瓶13經由壓力調節閥18和壓力計19與安裝在生成室10的底壁的微孔單元20連接。由這些氣瓶12、13供給的氣體6的種類和成分在本實施方式中是相同的。
[0033]在生成室10的下側，形成了以少於填滿的量填充的液相部分7。另外，在生成室10的上側，形成了被由氣瓶12供給的氣體6加壓為高壓後的氣相部分8。生成室10中的液相部分7與氣相部分8經由氣液界面而接觸。
[0034]在生成室10的氣相部分8的一側，優選配置壓力調節閥14和壓力計15。S卩，在氣瓶12與生成室10之間設置壓力調節閥14，所述壓力調節閥14用於對從氣瓶12供給至生成室10的氣體6的壓力精密地進行控制。處於密閉狀態的生成室10內的氣相部分8的壓力被壓力計15所監控。另外，在生成室10的氣相部分8的一側具備壓力開放閥(未圖示)，所述壓力開放閥用於將氣相部分8中的加壓壓力緩緩地降低至環境壓力(大氣壓)。
[0035]另外，在生成室10的液相部分7的一側，優選配置攪拌裝置16和水流產生裝置
17。即，為了使過飽和溶解液體4中的過飽和度儘可能地均勻，並且為了使所生成的納米氣泡5在過飽和溶解液體4中儘可能地均勻分散，設置用於對生成室10內的液相部分7進行攪拌的攪拌裝置16。為了促進所生成的納米氣泡5從微孔單元20平穩地脫離，將水流產生裝置17設置於微孔單元20的附近。此外，對水流產生裝置17的配置和流速進行調整，以使得不會因水流產生裝置17而生成尺寸大於納米氣泡5的微米氣泡。
[0036]由於根據亨利定律，氣體6在液相部分7中的溶解度與氣體6的壓力成比例，因而隨著由氣瓶12供給的氣體6的壓力而變化，氣相部分8的壓力會變化，構成氣相部分8的氣體6會溶解於與氣相部分8接觸的液相部分7中，由此規定氣體6在液相部分7中的溶解度。即，越提高由氣瓶12供給的氣體6的壓力，則氣體6在液相部分7中的溶解度越大。同樣地，由後述的微孔單元20生成的納米氣泡5中所包含的氣體6也會溶解於位於納米氣泡5的周圍的液相部分7中，由此納米氣泡5內的氣體6的壓力越高，則氣體6在液相部分7中的溶解度越大。即，納米氣泡5中所包含的氣體6與納米氣泡5中所包含的氣體6的內壓Pl成比例地溶解於位於納米氣泡5的周圍的液相部分7中。並且，最終生成室10內的液相部分7整體中的溶解度與位於納米氣泡5的周圍的液相部分7中的溶解度會變得大致相等。
[0037]接下來，對產生納米氣泡5的微孔單元(納米氣泡生成裝置)20進行說明。
[0038]具有多孔壁22的微孔單元20設置於生成室10的底壁面的大致中央部分。多孔壁22具有多個納米尺寸的微小的貫通孔24。生成室10內的液相部分7和微孔單元20內的氣相部分26被多孔壁22分隔。對多孔壁22來說，各貫通孔24的開口直徑尺寸如下構成:藉助貫通孔24而使微孔單元20內的氣相部分26通過，但是藉助貫通孔24所具有的表面張力來妨礙液相部分7的通過。因此，生成室10內的液相部分7不會藉助多孔壁22的貫通孔24而逆流到微孔單元20內的氣相部分26。
[0039]若例示出為了生成具有小於I μ m (IOOOnm)的直徑的納米氣泡5所需的貫通孔24的開口直徑(直徑)，則為幾納米?幾百納米，優選為約IOnm?約lOOnm。這是因為，在貫通孔24的開口直徑大致小於IOnm的情況下，在產生納米氣泡5時需要非常大的加壓力，因此微孔單元20的處理變得困難。另外，在貫通孔24的開口直徑大致大於IOOnm的情況下，有可能生成比納米尺寸更大的尺寸的微米氣泡。[0040]多孔壁22優選為由陽極氧化等得到的多孔質體，例如為陽極氧化鋁(多孔氧化鋁)或陽極氧化矽(多孔二氧化矽)的皮膜。從納米尺寸的貫通孔24的製作的容易性考慮，特別適合為陽極氧化鋁皮膜。陽極氧化鋁皮膜通過使形成於鋁板或其它基板上的鋁膜在酸性電解質中進行陽極氧化而得到。
[0041]陽極氧化鋁皮膜具有將例如半徑為幾納米~幾百納米的柱狀形狀的貫通孔24以幾十納米~幾百納米的間隔並列而成的幾何結構。從貫通孔24出來的氣泡一般通過以大於貫通孔24的開口直徑的尺寸擴張的方式來生成。若相鄰的貫通孔24接近，則即便藉助各貫通孔24生成納米氣泡5，相鄰的氣泡彼此也會合體，從而有時會形成大尺寸的氣泡(例如微米氣泡)。雖然因多孔壁22所接觸的液相部分7的表面張力的不同而不同，但是例如有可能形成為貫通孔24的開口直徑的四倍左右的大尺寸的氣泡。因此，為了避免相鄰的氣泡彼此幹擾，多孔壁22中的相鄰的貫通孔24彼此的間距(分隔距離)優選例如以大於三倍的距離分隔。即，相鄰的開口彼此優選以大於開口直徑的三倍的距離分隔。
[0042]另外，作為多孔壁22，還能夠使用在聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯等高分子膜上設置有多個貫通孔的Monotran膜等。此外，由於液相部分7對多孔壁22的潤溼性的影響而使得氣體6變得難以從微小開口直徑的貫通孔24出來，因此需要提高微孔單元20內的氣相部分26的壓力，還需要提高由氣瓶13供給的氣體6的壓力。
[0043]此外，就含納米氣泡的液體3來說，納米氣泡5中所包含的氣體6的內壓Pl與環境壓力(大氣壓)P2的差壓Λ P滿足規定了液相部分7對氣體6的表面張力Y與納米氣泡5的直徑D之間的關係的下述楊-拉普拉斯公式。
[0044]ΔΡ=Ρ1-Ρ2=4y/D (I)
[0045]從由上述(I)所示的楊-拉普拉斯公式可知:納米氣泡5的直徑D越小則差壓ΛΡ越大；相反地，納米氣泡5中的差壓ΛΡ越大則納米氣泡5的直徑D越小。另外，為了得到所期望的納米氣泡5的直徑D，只要使納米氣泡5中所包含的氣體6的內壓Pl與環境壓力Ρ2的差壓Λ P為楊-拉普拉斯公式所規定的值就行。
[0046]納米氣泡5中的差壓Λ P越大，則基於楊-拉普拉斯公式，納米氣泡5的直徑D越小，並且基於亨利定律，氣體6在納米氣泡5的周圍的液相部分7中的溶解度增大，最終氣體6在生成室10內的液相部分7整體中的溶解度增大。相反地，若增大氣體6在生成室10內的液相部分7整體中的溶解度來增大氣體6在納米氣泡5的周圍的液相部分7中的溶解度，則能夠減小納米氣泡5的直徑D。因此，若制出過飽和狀態、即氣體6以氣體6在液相部分7中的溶解度比通常的大氣壓下更大的過飽和溶解度溶解於液相部分7中的狀態，則具有小直徑D的納米氣泡5能夠在液相部分7中穩定存在。
[0047]若規定納米氣泡5的直徑D，則納米氣泡5中所包含的氣體6的內壓Pl和氣體6在納米氣泡5周圍的液相部分7中的溶解度S就確定，進而氣體6在液相部分7整體中的溶解度S就確定。氣體6在液相部分7中的溶解度S因氣體6的種類的不同而不同。因而，在液相部分7和氣體6的種類為不同的兩種的情況下，納米氣泡5的直徑D與納米氣泡5中所包含的氣體6的內壓Pl和氣體6在液相部分7中的理論溶解度S的關係示於表1和2。另外，表1是在表面張力為0.07N/m的純水、I個氣壓、25°C的條件下的結果，表2是在表面張力為0.027N/m的包含表面活性劑的水、I個氣壓、25°C的條件下的結果。
[0048]表1
【權利要求】
1.一種納米氣泡的生成系統，其特徵在於，其具備: 生成室，所述生成室以密閉狀態收容存在於上側的氣相部分和與氣相部分的下側接觸的液相部分； 過飽和溶解液體生成裝置，所述過飽和溶解液體生成裝置生成氣體以過飽和的狀態溶解於液相部分而得到的過飽和溶解液體；和 納米氣泡生成裝置，所述納米氣泡生成裝置藉助具有納米尺寸的開口直徑的貫通孔將加壓後的氣體供給至所述過飽和溶解液體中，由此生成直徑小於I μ m的納米氣泡。
2.如權利要求1所述的納米氣泡的生成系統，其特徵在於，所述過飽和溶解液體生成裝置將加壓後的氣體供給至所述生成室的氣相部分。
3.如權利要求1所述的納米氣泡的生成系統，其特徵在於，所述過飽和溶解液體生成裝置藉助貫通孔將加壓後的氣體供給至所述生成室的液相部分。
4.如權利要求3所述的納米氣泡的生成系統，其特徵在於，所述過飽和溶解液體生成裝置兼作所述納米氣泡生成裝置。
5.如權利要求1~4中任一項所述的納米氣泡的生成系統，其特徵在於，其還具備對所述生成室的液相部分進行攪拌的攪拌裝置。
6.如權利要求1~5中任一項所述的納米氣泡的生成系統，其特徵在於，其還具備水流產生裝置，所述水流產生裝置用於促進由所述納米氣泡生成裝置生成的納米氣泡從所述納米氣泡生成裝置平穩地脫離。
7.如權利要求1~6中任一項所述的納米氣泡的生成系統，其特徵在於，所述貫通孔分別以大於開口直徑的三倍的距離分隔。
8.如權利要求1~7中任一項所述的納米氣泡的生成系統，其特徵在於，所述生成的納米氣泡為單分散。
9.一種納米氣泡的生成方法，其特徵在於，其包括下述工序: 以密閉狀態將存在於上側的氣相部分和與氣相部分的下側接觸的液相部分收容於生成室; 生成氣體以過飽和的狀態溶解於液相部分而得到的過飽和溶解液體；和 藉助具有納米尺寸的開口直徑的貫通孔將加壓後的氣體供給至所述過飽和溶解液體中，由此生成直徑小於I μ m的納米氣泡。
10.如權利要求9所述的納米氣泡的生成方法，其特徵在於，所述過飽和溶解液體是通過將加壓後的氣體供給至所述生成室的氣相部分而生成的。
11.如權利要求9所述的納米氣泡的生成方法，其特徵在於，所述過飽和溶解液體是通過藉助貫通孔將加壓後的氣體供給至所述生成室的液相部分而生成的。
12.如權利要求11所述的納米氣泡的生成方法，其特徵在於，所述過飽和溶解液體的生成兼帶所述納米氣泡的生成。
13.如權利要求9~12中任一項所述的納米氣泡的生成方法，其特徵在於，其還具備下述工序:對所述生成室的液相部分進行攪拌。
14.如權利要求9~13中任一項所述的納米氣泡的生成方法，其特徵在於，其還具備下述工序:為了促進所述生成的納米氣泡平穩地脫離而產生水流。
15.如權利要求9~14中任一項所述的納米氣泡的生成方法，其特徵在於，所述貫通孔分別以大於開口直徑的三倍的距離分隔。
16.如權利要求9~15中任一項所述的納米氣泡的生成方法，其特徵在於，所述生成的納米氣泡為單分散。
【文檔編號】B01F1/00GK103747859SQ201280040979
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年12月3日 優先權日:2011年12月16日
【發明者】矢野宏, 酒井步美 申請人:松下電器產業株式會社