تقنيات مبتكرة لتوليد الفقاعات النانوية

صنع فقاعات النانو

عندما تصنع فقاعة تضع غازًا في السائل ، فإن الفقاعة هي عائلة القطرة التي هي عبارة عن سائل في الغاز. عضو آخر من عائلة الفقاعات والقطيرات هو الجسيم ، وهو مادة صلبة في غاز أو في سائل. من المهم تمييز هذه المصطلحات الثلاثة عن بعضها البعض. هناك عدة طرق لعمل الفقاعات ، هيدروديناميكيًا ، صوتيًا ، بصريًا وعبر تجويف الجسيمات. الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة والأكثر فاعلية لعمل فقاعات متناهية الصغر هي الديناميكا المائية. الديناميكا المائية هي فرع من فروع الفيزياء التي تتعامل مع حركة السوائل والقوى المؤثرة على الأجسام الصلبة المغمورة في السوائل والمتحركة بالنسبة لها. لقول أنه من السهل إنشاء فقاعة ، فأنت بحاجة إلى سائل متحرك ، وإضافة غاز وإحداث قوة على الغاز والسائل ويتم إنشاء الفقاعات. في الحياة اليومية عندما تفتح علبة بيرة أو زجاجة كولا، من خلال التغيير في الضغط (القوة) يتم تكوين الفقاعات ، وهذا مرئي بالعين والصوت.

1982 كانت المرة الأولى التي انتشر فيها مقالة عن فقاعات النانو وحتى وقت قريب كان وجود فقاعات النانو محل نقاش حاد ، والضجة الأخيرة في تقنية الفقاعات متناهية الصغر أو تقنية فقاعات النانو ناتجة عن عاملين. أولاً، هناك الآن معدات متاحة في السوق يمكنها يقيس حجم وكثافة الفقاعات متناهية الصغر ويتفق معظم العلماء الآن على وجود فقاعات النانو. ثانيًا، كانت الميزة الكبرى لمعدات القياس هي أن صانعي الفقاعات متناهية الصغر أصبحوا الآن قادرين على تطوير وتحسين مولدات الفقاعات متناهية الصغر لديهم ، كما أنهم يطورون التطبيقات بشكل أكبر.

بشكل أساسي، هناك نوعان من تقنيات توليد فقاعات النانو، الأول هو نوع دورة الغاز والمياه لمولدات فقاعات النانو. والثاني هو تقنية ضغط وتخفيض ضغط المياه والغاز والمشار إليها في كثير من الأحيان باسم نوع تذويب الضغط لمولدات فقاعات النانو. تعتمد معظم الوحدات على مبدأ واحد أو آخر ، أو مزيج من كليهما.

يمكننا التمييز بين طرق الإنتاج التالية للفقاعات الدقيقة. وتتميز الطرق الأربعة الأولى بالوصف التفصيلي:

• تذويب الضغط
• تدفق دوراني
• خلط ثابت مضطرب
• فوهة انتشار
• الأمواج فوق الصوتية (الاهتزاز فوق الصوتي)
• المُذبذب
• فينتوري
• التكثيف المباشر للاتصال المختلط للبخار.

طريقة الذوبان بالضغط

تعتمد طريقة توليد الفقاعات متناهية الصغر هذه على مبادئ قانون هنري ، الذي يربط تركيز الغاز بالضغط الجزئي. هذا يعني أنه يمكن إذابة المزيد من الغاز في محلول عند ضغط أعلى. مبدأ مولد الفقاعات متناهية الصغر هو كما يلي: من خلال نظام فنتوري ، يتم خلط السائل والغاز معًا ، في الخطوة التالية في صندوق الخلط ، يتم صهر الغاز في الماء عن طريق الضغط. في الخطوة الأخيرة عبر فوهة يتم تصريف الماء والغاز. بسبب الانخفاض الحاد في ضغط محلول الغاز السائل المفرط التشبع ، يتم طرد الغاز على شكل فقاعات دقيقة وفقاعات متناهية الصغر في السائل. يوضح الشكل العملية.

• يتم ضخ السائل في الوحدة تحت الضغط.
• عن طريق تضييق حجم الأنبوب ، تزداد سرعة تدفق السائل الوارد ، مما يحول معظم ضغط المضخة إلى ضغط ديناميكي ، وبالتالي تقليل الضغط الساكن وشفط الهواء من خلال الضغط السلبي.
• بعد تشبع الغاز السائل والشفط بالفقاعات ، يتم إرسال تدفق السائل / الغاز عبر أنبوب أوسع لتقليل سرعة التدفق ، حيث يتم تحويل الضغط الديناميكي مرة أخرى إلى ضغط ثابت وتحدث عملية انحلال الغاز المضغوط.
• بعد إذابة الغاز تمامًا في السائل ، يتم إخراج السائل / الغاز مرة واحدة باستخدام الضغط الجوي ، مما يتسبب في زيادة تشبع السائل ، ويتم إطلاق فقاعات نانوية ضخمة للغاية.

تدفق دوراني

خلاط ثابت مضطرب

يرجع أصل الخلاط الساكن إلى خلط سائلين ، وقد تم تقديم براءة الاختراع الأولى للخلاط الساكن في عام 1965. بدلاً من خلط سائلين ، هناك أيضًا إمكانية خلط سائل مع غاز. تعتمد هذه التقنية على مبدأ إنشاء دوامة وإدخال غاز في الدوامة بشكل فعال للغاية. بسبب التدفق المضطرب للغاز سوف يكسر الدوامة وتصادمات بين الماء والغاز تخلق الفقاعات النانوية. تتمثل فوائد الخلاطات الساكنة في أنها تتمتع بتصميم بسيط نسبيًا ، ويمكنها معالجة كميات كبيرة من الماء مرة واحدة بطاقة قليلة نسبيًا مقارنة بالعديد من مولدات فقاعات النانو الأخرى المذكورة أعلاه. أخيرًا ، ليسوا حساسين للانسداد. تقنية أكنتي توربيتي هي مزيج من الخلاط الساكن المضطرب وفوهة القاذف.

فوهة القاذف

في نوع مولد فقاعات النانو بفوهة القاذف ، تم تصميم قنوات تدفق السائل في المولد الأسطواني لتقليص وتوسيع نطاقه بشكل تدريجي. يتم إحضار الغاز تحت ضغط سلبي عند أدنى نقطة ضغط ويتم تقليله إلى عدد من فقاعات النانو عن طريق التجويف. في هذا الجهاز ، يكون تدفق المياه مضطربًا للغاية ، ويتم تقليل الغاز إلى فقاعات نانو عن طريق التجويف. ترتبط فوهات القاذف ارتباطًا وثيقًا بمولدات التجويف الهيدروديناميكي ، وبهذه الطريقة يتم إنشاء التجويف عن طريق تدفق السائل من خلال هندسة بسيطة في ظل ظروف خاضعة للرقابة. في مولد فقاعات النانو هذا ، عندما ينخفض الضغط إلى ما دون ضغط بخار السائل ، يومض السائل مُولِّدًا عددًا من التجاويف. تنهار التجاويف عندما يتعافى الضغط. يبدأ انهيار فقاعات التجويف ببعض التأثيرات الفيزيائية والكيميائية مثل موجات الصدمة وقوى القص والتفاعلات الكيميائية. تتولد الجذور الحرة أحيانًا عن طريق هذه العمليات.

دوران المطرقة

يعتبر مفهوم دوران المطرقة مفهومًا فريدًا مقارنة بجميع تقنيات توليد فقاعات النانو الأخرى ، حيث لا تستخدم مضخة لتوليد فقاعات النانو. بدلاً من ذلك ، تستخدم محركًا مزودًا بمطارق مثبتة على العمود. يدور المحرك بسرعة 3400 دورة في الدقيقة في الأنبوب. يمتلئ الأنبوب بالماء من الأعلى ، ويكون حقن الغاز أيضًا من الأعلى. تعمل المطارق الموجودة على العمود على إذابة الغاز وسحق الغاز إلى فقاعات نانو في الجزء السفلي من الوحدة تخرج الفقاعات النانوية. يعتبر مفهوم دوران المطرقة هو الطريقة الأكثر ملاءمة للطاقة لتوليد الفقاعات النانوية لأنها لا تنقل كميات كبيرة من الماء ولا تحتاج إلى ضغط مرتفع ولكنها تستخدم كل طاقتها لسحق الغاز. يُطلق على مجموعة مولدات الفقاعات النانوية ذات دوران مطرقة المطرقة اسم مولد فقاعات النانو مايكروستار. هذه الوحدة مناسبة لغاز الأوزون وللاستخدام في بيئات مياه البحر.