Technologies innovantes pour la génération de nanobulles

Créer des nanobulles

Lorsque vous créez une bulle, vous mettez un gaz dans un liquide. Une bulle fait partie de la famille d'une gouttelette, qui est un liquide dans un gaz. Un autre membre de la famille des bulles et des gouttelettes est une particule, qui est un solide dans un gaz ou dans un liquide. Il est important de distinguer ces trois termes les uns des autres pour définir les bulles. Il existe quelques méthodes pour fabriquer des bulles : de manière hydrodynamique, acoustique, optique et par cavitation de particules. La méthode la plus rentable et la méthode la plus efficace pour fabriquer des bulles ultrafines est de manière hydrodynamique. L'hydrodynamique est une branche de la physique qui traite du mouvement des fluides et des forces agissant sur les corps solides immergés dans les fluides et en mouvement par rapport à eux. En termes simples, pour créer une bulle, vous avez besoin d'un liquide en mouvement, d'y ajouter un gaz et d'appliquer une force sur le gaz et le liquide et voilà ! Les bulles sont créées. Dans la vie de tous les jours quand on ouvre une canette de bière ou une bouteille de soda, par le changement de pression (la force) les bulles se créent, cela se voit à l'oeil et au son.

C'est en 1982 que le premier article fût publié sur les nanobulles et jusqu'à récemment, l'existence de nanobulles était fortement débattue. L'engouement médiatique récent dans la technologie des bulles ultrafines ou la technologie des nanobulles est dû à deux facteurs. Premièrement, il existe maintenant sur le marché des équipements disponibles qui peuvent mesurer la taille et la densité des bulles ultrafines et maintenant la plupart des scientifiques conviennent que les nanobulles existent. Deuxièmement, le grand avantage de l'équipement de mesure est que les fabricants de bulles ultrafines sont désormais en mesure de développer et d'optimiser davantage leurs générateurs de bulles ultrafines et de développer davantage les applications.

Fondamentalement, il existe deux types de technologies de génération de nanobulles. Premièrement, des générateurs de nanobulles à circulation gaz-eau. Deuxièmement, la pressurisation-décompression gaz-eau, aussi connue comme les générateurs de nanobulles de type de dissolution sous pression. La plupart des unités sont basées sur un principe ou sur l'autre, ou sur une combinaison des deux.

On peut distinguer les modes de production de nanobulles suivants ; les 4 premières méthodes sont décrites plus en détail :

1. Dissolution sous pression
2. Ecoulement rotationnel
3. Mélangeur statique turbulent
4. Tuyère d'éjection
5. Ultrasonique (vibration supersonique)
6. Oscillateur
7. Venturi
8. Condensation par contact direct de vapeur mixte

Méthode de dissolution sous pression

Cette méthode de génération de bulles ultrafines est basée sur les principes de la loi de Henry, qui relie la concentration d'un gaz à la pression partielle. Cela signifie que plus de gaz peut être dissous dans une solution à une pression plus élevée. Le principe du générateur de bulles ultrafines est le suivant : via un système venturi, le liquide et le gaz sont mélangés ensemble, à l'étape suivante dans la boîte de mélange, le gaz est fondu dans l'eau via la pressurisation. Dans la dernière étape via une buse, l'eau et le gaz sont évacués. En raison de la chute drastique de la pression de la solution de gaz liquide sursaturée, le gaz est expulsé sous forme de fines bulles et de bulles ultrafines dans le liquide. L'image illustre le processus.

1. Le liquide est pompé dans l'unité sous pression.
2. En réduisant la taille du tuyau, la vitesse du flux de liquide entrant est augmentée, ce qui convertit la majeure partie de la pression de la pompe en pression dynamique, réduisant ainsi la pression statique et l'air aspiré par pression négative.
3. Une fois que le liquide et le gaz aspiré sont saturés de bulles, le flux de liquide/gaz est envoyé à travers un tuyau plus large pour réduire la vitesse du flux, où la pression dynamique est reconvertie en pression statique et le processus de dissolution sous pression du gaz a lieu.
4. Une fois que le gaz est complètement dissous dans le liquide, le liquide/gaz est éjecté immédiatement en utilisant la pression atmosphérique, provoquant une sursaturation du liquide, et un chiffre massif de nanobulles est libéré.

Ecoulement rotationnel

L'écoulement rotationnel est aussi souvent appelé Swirl Method ou Spiral Flow. Ce générateur de bulles fines génère des bulles selon le principe de Bernoulli. En dynamique des fluides, le principe de Bernoulli stipule qu'une augmentation de la vitesse d'un fluide se produit simultanément avec une diminution de la pression ou une diminution de l'énergie potentielle du fluide. Le principe porte le nom de Daniel Bernoulli, qui l'a publié dans son livre "Hydrodynamica" en 1738. Des siècles plus tard, des générateurs de fines bulles sont fabriqués sur la base de ce principe. Le premier produit basé sur cette technologie est le Ranque-Hilsch Vortex Tube en 1933. Suivi 50 ans plus tard par le Swirling jet flame. Au milieu des années 90, les premières micro-bulles de type tourbillonnant ont été inventées au Japon.

Le principe du générateur de fines bulles est le suivant : l'eau est introduite dans un réservoir cylindrique par le haut et amenée à s'écouler en spirale vers le bas. Du centre du bas du cylindre, le gaz est aspiré. L'eau en rotation est cisaillée dans le haut du cylindre, produisant de fines bulles. Cependant, il est généralement reconnu dans l'industrie des bulles ultrafines que la concentration en bulles de la méthode de dissolution sous pression est supérieure à l'écoulement rotationnel.

Mélangeur statique turbulent

Le mélangeur statique trouve son origine dans le mélange de deux liquides, le premier brevet pour un mélangeur statique a été déposé en 1965. Au lieu de mélanger deux liquides, ce mélangeur offre aussi la possibilité de mélanger un liquide et un gaz. Cette technologie est basée sur le principe de créer un vortex et d'amener un gaz de manière très efficace dans le vortex. En raison de l'écoulement turbulent, le gaz brisera le vortex et les collisions entre l'eau et le gaz créeront les nanobulles. Les avantages des mélangeurs statiques sont qu'ils ont une conception relativement simple et qu'ils peuvent traiter de grands volumes d'eau à la fois avec relativement peu d'énergie par rapport à la plupart des autres générateurs de nanobulles ci-dessus. De plus, ils ne sont pas sensibles au colmatage. La technologie acniti Turbiti est une combinaison du mélangeur statique turbulent et de la tuyère d'éjection.

Tuyère d'éjection

Dans le type de générateur de nanobulles à tuyère d'éjection, les canaux d'écoulement de liquide dans le générateur cylindrique sont conçus pour se rétrécir et s'agrandir progressivement. Le gaz est amené sous pression négative au point de pression le plus réduit et est réduit en nanobulles par cavitation. Dans ce dispositif, le flux d'eau est très turbulent, et le gaz est réduit en nanobulles par cavitation. Les tuyères d'éjection sont étroitement liées aux générateurs de cavitation hydrodynamiques, avec cette méthode la cavitation est générée par l'écoulement de liquide à travers une géométrie simple dans des conditions contrôlées. Dans ce générateur de nanobulles, lorsque la pression tombe en dessous de la pression de vapeur du liquide, le liquide se vaporise instantanément, générant un certain nombre de cavités. Les cavités s'effondrent lorsque la pression revient. L'effondrement des bulles de cavitation déclenche certains effets physico-chimiques tels que des ondes de choc, des forces de cisaillement et des réactions chimiques. Des radicaux libres sont parfois générés par ces processus.

Rotation du broyeur à marteaux

Le concept de rotation du broyeur à marteaux est un concept unique par rapport à toutes les autres techniques de génération de nanobulles. Ceci car il n'utilise pas de pompe pour générer des nanobulles. Au lieu de cela, il utilise un moteur avec des marteaux montés sur l'arbre. Le moteur tourne à une vitesse de 3400 tours par minute dans un tube. Le tube se remplit d'eau par le haut et l'injection de gaz se fait également par le haut. Les marteaux sur l'arbre dissolvent le gaz et écrasent le gaz en nanobulles au bas de l'unité. Ces bulles se dispersent ensuite dans l'eau au fond de l'unité. Le concept de rotation à marteaux est le moyen le plus économe en énergie pour générer des nanobulles car il ne déplace pas de grandes quantités d'eau et n'a pas besoin d'une pression élevée : le concept utilise toute son énergie pour écraser le gaz. La gamme de générateurs de nanobulles à rotation de broyeur à marteaux s'appelle le générateur de nanobulles microStar. Cet appareil convient au gaz d'ozone et à une utilisation dans des environnements d'eau de mer.