Innovative Technologien zur Erzeugung von Nanoblasen

Herstellung von Nanoblasen

Wenn du eine Blase machst, gibst du ein Gas in die Flüssigkeit. Eine Blase ist die Familie der Tröpfchen, die eine Flüssigkeit in einem Gas sind. Ein weiteres Mitglied der Blasen- und Tröpfchenfamilie ist ein Teilchen, das ein Feststoff in einem Gas oder in einer Flüssigkeit ist. Für die Definition von Blasen ist es wichtig, diese drei Begriffe voneinander abzugrenzen. Es gibt verschiedene Methoden, um Blasen zu erzeugen: hydrodynamisch, akustisch, optisch und durch Partikelkavitation. Die kostengünstigste und effizienteste Methode zur Herstellung von ultrafeinen Blasen ist die hydrodynamische Methode. Die Hydrodynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit der Bewegung in Flüssigkeiten und den Kräften beschäftigt, die auf feste Körper wirken, die in Flüssigkeiten eingetaucht sind und sich relativ zu ihnen bewegen. Einfach ausgedrückt: Um eine Blase zu erzeugen, brauchst du eine sich bewegende Flüssigkeit, fügst ein Gas hinzu und übst eine Kraft auf das Gas und die Flüssigkeit aus - und schon entstehen die Blasen. Wenn du im Alltag eine Dose Bier oder eine Flasche Cola öffnest, entstehen durch die Druckveränderung (die Kraft) Blasen, die mit dem Auge und durch das Geräusch sichtbar sind.

1982 wurde zum ersten Mal ein Artikel über Nanoblasen veröffentlicht und bis vor kurzem war die Existenz von Nanoblasen heftig umstritten. Der jüngste Hype um die Technologie der ultrafeinen Blasen oder Nanoblasen ist auf zwei Faktoren zurückzuführen: Erstens gibt es jetzt Geräte auf dem Markt, mit denen die Größe und Dichte ultrafeiner Blasen gemessen werden kann, und die meisten Wissenschaftler sind sich einig, dass es Nanoblasen gibt. Zweitens haben die Messgeräte den großen Vorteil, dass die Hersteller von ultrafeinen Blasen nun in der Lage sind, ihre Generatoren für ultrafeine Blasen weiterzuentwickeln und zu optimieren, und dass sie weitere Anwendungen entwickeln können.

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Technologien zur Erzeugung von Nanoblasen: Erstens gibt es Gas-Wasser-Zirkulationstypen von Nanoblasengeneratoren. Zweitens gibt es einen Gas-Wasser-Druck-Dekompressions-Typ, der oft auch als Druckauflösungs-Typ bezeichnet wird, der Nanoblasen erzeugt. Die meisten Geräte basieren auf dem einen oder dem anderen Prinzip oder auf einer Kombination aus beiden.

Wir können folgende Methoden zur Herstellung von feinen Blasen unterscheiden; die ersten 4 Methoden werden ausführlicher beschrieben:

1. Druckauflösung
2. Rotierende Strömung
3. Turbulenter statischer Mischer
4. Ausstoßdüse
5. Ultraschall (Überschallschwingung)
6. Oszillator
7. Venturi
8. Mischdampf Direktkontakt-Kondensation

Auflösungsmethode unter Druck

Diese Methode der ultrafeinen Blasenbildung basiert auf den Prinzipien des Henry'schen Gesetzes, das die Konzentration eines Gases mit dem Partialdruck in Beziehung setzt. Das bedeutet, dass bei höherem Druck mehr Gas in einer Lösung gelöst werden kann. Das Prinzip des ultrafeinen Blasengenerators ist wie folgt: Über ein Venturisystem werden die Flüssigkeit und das Gas miteinander vermischt, im nächsten Schritt wird im Mischkasten das Gas durch Druckbeaufschlagung in das Wasser eingeschmolzen. Im letzten Schritt wird das Wasser und das Gas über eine Düse ausgetragen. Durch den drastischen Druckabfall der übersättigten Flüssiggaslösung wird das Gas in Form von feinen Blasen und ultrafeinen Blasen in die Flüssigkeit ausgestoßen. Die Abbildung veranschaulicht den Prozess.

1. Die Flüssigkeit wird unter Druck in die Anlage gepumpt.
2. Durch die Verengung der Rohrleitung wird die Geschwindigkeit des einströmenden Flüssigkeitsstroms erhöht, wodurch der größte Teil des Pumpendrucks in dynamischen Druck umgewandelt wird, wodurch der statische Druck verringert und die Luft durch Unterdruck angesaugt wird.
3. Nachdem die Flüssigkeit und das angesaugte Gas mit Blasen gesättigt sind, wird der Flüssigkeits-/Gasstrom durch ein breiteres Rohr geleitet, um die Geschwindigkeit des Stroms zu verringern, wodurch der dynamische Druck wieder in statischen Druck umgewandelt wird und der Prozess der Druckauflösung des Gases stattfindet.
4. Nachdem das Gas vollständig in der Flüssigkeit gelöst ist, wird das Flüssigkeits-/Gasgemisch mit Hilfe des atmosphärischen Drucks auf einmal ausgestoßen, wodurch die Flüssigkeit übersättigt wird und massive ultrafeine Nanoblasen freigesetzt werden.

Rotationsfluss

Die Rotationsströmung wird oft auch Swirl-Methode oder Spiral Flow genannt. Dieser feine Blasengenerator erzeugt Blasen nach dem Bernoulli-Prinzip. In der Strömungslehre besagt das Bernoulli-Prinzip, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit gleichzeitig mit einer Abnahme des Drucks oder der potenziellen Energie der Flüssigkeit einhergeht. Das Prinzip ist nach Daniel Bernoulli benannt, der es 1738 in seinem Buch "Hydrodynamica" veröffentlichte. Jahrhunderte später werden auf der Grundlage dieses Prinzips Feinblasengeneratoren hergestellt. Das erste Produkt, das auf dieser Technologie basiert, ist das Ranque-Hilsch Wirbelrohr aus dem Jahr 1933. 50 Jahre später folgte die Wirbelstrahlflamme. Mitte der neunziger Jahre wurde in Japan der erste Mikroblasen-Wirbler erfunden.

Das Prinzip des Feinblasengenerators ist wie folgt: Wasser wird von oben in einen zylindrischen Tank gegeben und in einer Spirale nach unten geleitet. Vom mittleren Boden des Zylinders aus wird das Gas angesaugt. Das rotierende Wasser wird an der Oberseite des Zylinders abgeschert, wodurch feine Blasen entstehen. In der Feinstblasenindustrie ist jedoch allgemein anerkannt, dass die Blasenkonzentration bei der Druckauflösungsmethode höher ist als bei der Rotationsströmung.

Turbulenter statischer Mischer

Der Statikmischer hat seinen Ursprung im Mischen zweier Flüssigkeiten. Das erste Patent für einen Statikmischer wurde 1965 angemeldet. Anstatt zwei Flüssigkeiten zu mischen, gibt es auch die Möglichkeit, eine Flüssigkeit und ein Gas zu mischen. Diese Technologie basiert auf dem Prinzip, einen Wirbel zu erzeugen und ein Gas sehr effektiv in diesen Wirbel zu bringen. Durch die turbulente Strömung bricht das Gas den Wirbel und durch die Zusammenstöße zwischen Wasser und Gas entstehen die Nanoblasen. Die Vorteile der statischen Mischer liegen darin, dass sie relativ einfach aufgebaut sind und im Vergleich zu vielen der oben genannten Nanoblasen-Generatoren große Wassermengen auf einmal mit relativ wenig Energie behandeln können. Außerdem sind sie unempfindlich gegen Verstopfung. Die acniti Turbiti-Technologie ist eine Kombination aus dem turbulenten statischen Mischer und der Ejektordüse.

Auswerferdüse

Beim Typ Ejektordüse-Nanoblasengenerator sind die Flüssigkeitsströmungskanäle im zylindrischen Generator so gestaltet, dass sie sich zusammenziehen und schrittweise vergrößern. Das Gas wird unter Unterdruck am Punkt mit dem geringsten Druck eingebracht und durch Kavitation zu einer Anzahl von Nanoblasen reduziert. In diesem Gerät ist die Wasserströmung sehr turbulent, und das Gas wird durch Kavitation zu Nanoblasen reduziert. Ejektordüsen sind eng mit hydrodynamischen Kavitationsgeneratoren verwandt. Bei dieser Methode wird die Kavitation durch die Strömung der Flüssigkeit durch eine einfache Geometrie unter kontrollierten Bedingungen erzeugt. Wenn in diesem Nanoblasengenerator der Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt, blitzt die Flüssigkeit auf und erzeugt eine Reihe von Hohlräumen. Die Hohlräume fallen in sich zusammen, wenn der Druck wieder ansteigt. Der Zusammenbruch der Kavitationsblasen löst einige physikalisch-chemische Effekte wie Schockwellen, Scherkräfte und chemische Reaktionen aus. Durch diese Prozesse werden manchmal freie Radikale erzeugt.

Hammermill Rotation

Das Hammermühlen-Rotationskonzept ist im Vergleich zu allen anderen Techniken zur Erzeugung von Nanoblasen einzigartig, da es keine Pumpe zur Erzeugung von Nanoblasen verwendet. Stattdessen wird ein Motor mit Hämmern verwendet, die auf der Welle montiert sind. Der Motor dreht sich mit einer Geschwindigkeit von 3400 Umdrehungen pro Minute in einem Rohr. Das Rohr füllt sich von oben mit Wasser, und das Gas wird ebenfalls von oben eingeleitet. Die Hämmer auf der Welle lösen das Gas auf und zerkleinern es in Nanoblasen, die unten aus dem Gerät herauskommen. Das Hammerwerk-Rotationskonzept ist die energiefreundlichste Art, Nanoblasen zu erzeugen, da es keine großen Mengen an Wasser bewegt und keinen hohen Druck benötigt, sondern seine gesamte Energie für die Zerkleinerung des Gases einsetzt. Die Reihe der Hammermill-Rotations-Nanoblasengeneratoren heißt microStar Nanoblasengenerator. Dieses Gerät ist für Ozongas und für den Einsatz in Meerwasserumgebungen geeignet.