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SPG微纳气泡发生技术
一、关于SPG气泡
“SPG气泡”是一种将压力气体从SPG膜的微孔中分散出来的方法；一般来说，液体中非常小的气泡称为“细气泡”，尺寸为1-100μm的气泡称为“微米气泡”，小于1μm的气泡称为“纳米气泡”。
SPG气泡的特点是通过改变SPG膜的孔径来改变气泡的大小，也适合于从微气泡中产生更大的毫米级气泡；此外，SPG气泡是一种“非常静态的生成方法”，不需要强烈的液体流动或液体本身的加压，它可以在不破坏液体中的微生物和大分子的情况下提供细小的气泡，或利用气泡悬浮的原理。
二、SPG气泡压力
SPG膜的气泡压力随孔径的变化而变化很大，孔径越小，产生气泡的压力越高，其压力与SPG膜孔中液体被挤出的“气泡点”压力相等，可以计算出来。
PB= 2 γ ●cos
θ / R
PB：泡点压力；
γ：气相和液相之间的表面张力
θ：膜表面与液相之间的接触角。
R：SPG孔隙半径
下面的表格和图表计算了空气在水中冒泡时的压力。(γ= 72.75mN/m、θ=30°)
|
膜管孔径（μm） |
PB压力（Mpa） |
|
20 |
0.013 |
|
10 |
0.025 |
|
5 |
0.050 |
|
3 |
0.084 |
|
2 |
0.126 |
|
1 |
0.252 |
|
0.8 |
0.315 |
|
0.5 |
0.504 |
|
0.4 |
0.630 |
|
0.3 |
0.840 |
|
0.2 |
1.260 |
|
0.1 |
2.520 |
|
0.05 |
5.040 |
● 由于SPG专用模块(固定夹具)的存在，我们建议使用SPG膜孔径为0.3μm以上，同时压力可以控制在小于1MPa以下；气泡压力会随SPG模块的规格而发生变化，也会随SPG孔径发生变化。
● 压力的变化大取决于所用液体的表面张力和粘度；表面张力越小，压力就越低。
● 以上数值为挤压孔隙中液体所需的压力，一旦液体被挤出，气体穿过SPG孔隙，气泡就会在较低的压力下产生；一旦微孔中的液体被挤出，就会形成细小的气泡，从SPG孔隙中连续地产生，然后通过降低压力进行调整，同时检查气泡的状态。
● SPG气泡的机理是当SPG表面(包括孔隙内部)被液体浸湿时，由于表面张力的作用，气体在SPG表面(出口)上形成“气泡”，与气体的接触角增大，因此，如果有排斥液体的物质附着在SPG膜上，表面条件没有被液体浸湿，就不能获得理想的性能，会引起大气泡的产生。
三、SPG膜孔径与气泡大小的关系
SPG气泡的特点是通过改变SPG膜的孔径来控制气泡的大小，根据Kukizaki博士的研究，当0.3 wt%的SDS(阴离子表面活性剂)加入水中，有报道称Dp(气泡大小)=Dm (SPG膜孔径)x8.6，然而气泡是非常不稳定的，据说当气泡大小为50μm时，小气泡由于内部压力而自我收缩，相反大的气泡会膨胀，因此实际气泡的大小取决于所使用的液体类型(表面张力)、所使用的气体类型(易溶解性)、产生环境(膜装置表面地压力等)以及在液体中的停留时间。
因此Dp = Dm x N，我们认为有必要根据使用目的和使用方法来确定每一次的关系，气泡的大小受气液表面张力的影响很大，如果表面张力越大，气泡也越大，如果在水中加入降低表面张力的表面活性剂或者酒精，就很容易获得细小的气泡。
▲ SPG膜孔径(Dm)可以控制气泡直径(Dp)： Dm large=Dp large, Dm small=Dp small
▲ 气液表面张力：大=压力高= Dp大，小=压力低= Dp小
▲ 泡浮速度：Dp小慢，Dp大快
▲ 气液接触面积(气泡体积相同)：Dp小=大，Dp大=小
▲ 微气泡和毫米气泡都是不稳定的，不会保持一定的大小：Dp 50um以下=收缩，Dp 50um以上=膨胀
四、泡沫生成数量
基本上SPG气泡通过压力来控制*佳的良好气泡产生条件，这是因为压力的下降发生在SPG膜的孔径内部，所以气体的流量只能通过压力来控制；此时气体的渗透量取决于所使用的液体和气体，但与SPG膜的有效气泡面积成正比，如果你加倍使用SPG膜的长度(面积)，产生的气泡数量也将加倍。
|
SPG膜孔径0.3μm |
SPG膜孔径0.5μm |
SPG膜孔径1μm |
SPG膜孔径5μm |
||||
|
压力KPa |
流量ml/min |
压力KPa |
流量ml/min |
压力KPa |
流量ml/min |
压力KPa |
流量ml/min |
|
505 |
3 |
400 |
3 |
177 |
3 |
|
|
|
520 |
5 |
406 |
5 |
187 |
5 |
|
|
|
560 |
10 |
435 |
10 |
202 |
10 |
45 |
10 |
|
600 |
15 |
456 |
15 |
213 |
15 |
48 |
15 |
|
640 |
20 |
480 |
20 |
229 |
20 |
49 |
20 |
|
|
|
523 |
30 |
|
|
53 |
30 |
表中测量了各孔径的空气渗透压力和当时的流量。
采用SPG膜型: 膜管φ10mm，长度(有效长度)L105mm
*即使增加压力来增加流量，也只会出现大气泡，不会产生细气泡。
五、内压方式和外压方式
采用高强度管型10mmSPG膜管。有“内压”和“外压”两种用途，根据SPG膜的固定方法和SPG管道形状所衍生的强度，实际工作压力差别很大。
内压 外压
|
||||
|
||||
|
|
内压 |
外压 |
|
压力 |
*大0.3MPa |
*大0.98Mpa(0.8MPa) |
|
膜管 |
1μm或更多 |
0.3μm或更多 |
|
优点 |
●在不移动液体的情况下，气泡很容易分散在液体中。 ●适用于小容量烧杯测试(约100ml-2L)。 ●适合批量加工。 ●它可以用于液体，如微生物和聚合物，对冲击敏感。 ●便于使用的浮动分离。 |
●它可以在很小的SPG孔径下使用，并且比内压型更容易获得更细的气泡。 ●易于连接到供液管道。 |
|
缺点 |
与外压型相比，只能使用较大孔径的SPG。 |
需要用泵等强行送液，不适合微生物等使用。 |
*1:*大压力因使用的模块而异。
*2:在第2页的“气泡压力”中，根据使用压力来确定SPG的推荐孔径。当使用表面张力较低的液体时，可以使用较小的SPG孔径。
内压式微纳气泡发生器 MN-20S
-适用于小容量烧杯测试(约100ml-2L)。
|
压力 |
内压 *大0.3MPa |
|
规格 |
管式Φ10mm,长度20mm有效长度L 10mm |
|
孔径 |
1μm或其他 |
|
材质 |
不锈钢(SUS304, SUS316) FKM(O形圈) |
|
加压气体管连接 |
外径6mm管件 |
|
尺寸 |
W: 62mm,H1:34mm,H2: 20 ~ 500mm |
|
备注 |
H2(不锈钢管轴)长度可在20 ~ 500mm之间选择 |
*1、可使用的孔隙大小取决于液体(表面张力)和气体。
*2、主机不包括主压力表(气瓶、主压力调节阀)、阀门(停止器、排气口)、压力表、管道。
*3、可以选配管道、阀门、压力表和二次压力调节阀
内压式微纳气泡发生器 MN-125 / 250 / 500
适用于检测数升液体。
|
压力 |
内压 *大0.3MPa |
|
膜管 φ10mm |
MN- 125:长度L 125mm有效长度L 95mm MN - 250:长度L 250mm有效长度L 220mm MN - 500:长度L 500mm有效长度L 470mm |
|
孔径 |
1μm或其他 |
|
材质 |
不锈钢(SUS304, SUS316)， FKM(O形圈) |
|
加压气体管连接 |
外径6mm管件 |
|
尺寸 |
MN-125 W: 185mm D: 50mm H1(*2: 38mm H2 20〜500m MN-250 W: 310mm D: 50mm H1(*2 :38mm H2: 20〜500mm MN-500 W: 560mm D: 50mm H1(*2: 38mm H2: 20〜500mm |
|
备注 |
H2(不锈钢管轴)长度可在20 ~ 500mm之间选择 |
*1、可使用的孔隙大小取决于液体(表面张力)和气体。
*2、不包括橡胶脚的高度。
*3、使用和管道连接请参见上文MN-20S使用示例。
*4、主机不包括主压力表(气瓶、主压力调节阀)、阀门(停止器、排气口)、压力表、管道。
*5、可以选配管道、阀门、压力表和二次压力调节阀。
外压式微纳气泡发生器 SB-125
|
压力 |
外压 *大0.3MPa |
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膜管 |
管式Φ10mm 长度125mm有效长度L 105mm |
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孔径 |
0.3μm或其他 |
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材质 |
SUS304、SUS303、FKM(o型圈) PP、PE、FPM、陶瓷、硅橡胶、聚氨酯 |
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加压气体管连接 |
外径6mm一触式管接头(SMC) |
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配件 |
①SPG模块(MD10L125)(带疏水阀) ②二次压力调节阀 (数字压力表/精密调节阀/阀门) ③液体循环泵(电阻器、硅橡胶管) ④泵风压注射器/阀 ⑤支架设置用于固定(支架、夹子、套筒) |
*1、可使用的孔隙大小取决于液体(表面张力)和气体。
*2、主机不包括主压力(气瓶、主压力调节器)和管道。
*3、可单独购买外压模块(MD10L125)。
*4、可以定制，如将SPG膜模块改为L250mm或L500mm，或更换配管材料。