微納米氣泡的產(chǎn)生發(fā)展以及延展應(yīng)用

微納米氣泡的產(chǎn)生發(fā)展以及延展應(yīng)用 早在19世紀(jì)，研究者們就已經(jīng)利用流體力學(xué)和物理學(xué)開始了對于毫米級氣泡在液體中生成、上升過程的研究。上個世紀(jì)50年代，在化工領(lǐng)域開始了對氣泡和液滴的研究。其后，兩相流（氣液、液液）特別是氣液分散相的基礎(chǔ)現(xiàn)象的研究成果，*地促進(jìn)了化工機(jī)械的大/規(guī)模應(yīng)用。氣泡的微細(xì)化是化學(xué)工業(yè)中促進(jìn)物質(zhì)移動，增進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度的關(guān)鍵技術(shù)，但在當(dāng)時尚未出現(xiàn)能夠應(yīng)用于化工領(lǐng)域的微納米氣泡發(fā)

微納米氣泡的產(chǎn)生發(fā)展以及延展應(yīng)用

一、微納米氣泡技術(shù)的發(fā)展歷史

  早在19世紀(jì)，研究者們就已經(jīng)利用流體力學(xué)和物理學(xué)開始了對于毫米級氣泡在液體中生成、上升過程的研究。上個世紀(jì)50年代，在化工領(lǐng)域開始了對氣泡和液滴的研究。其后，兩相流（氣液、液液）特別是氣液分散相的基礎(chǔ)現(xiàn)象的研究成果，*地促進(jìn)了化工機(jī)械的大/規(guī)模應(yīng)用。氣泡的微細(xì)化是化學(xué)工業(yè)中促進(jìn)物質(zhì)移動，增進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度的關(guān)鍵技術(shù)，但在當(dāng)時尚未出現(xiàn)能夠應(yīng)用于化工領(lǐng)域的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)和手段。微納米氣泡的產(chǎn)生發(fā)展以及延展應(yīng)用

 微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是20世紀(jì)90年代后期產(chǎn)生的，21世紀(jì)初在日本得到了蓬勃的發(fā)展，其制造方法包括旋回剪切、加壓溶解、電化學(xué)、微孔加壓、混合射流等方式，均可在一定條件下產(chǎn)生微納米級的氣泡。

 二、微納米氣泡的定義

 通常我們把氣體在液體中的存在現(xiàn)象稱作氣泡。氣泡的形成現(xiàn)象，在自然界中的許多過程中都能遇到，當(dāng)氣體在液體中受到剪切力的作用時就會形成大小、形狀各不相同的氣泡。目前，對氣泡的分類與定義并不是十分嚴(yán)格，按照從大到小的順序可分為厘米氣泡（CMB）、毫米氣泡（MMB）、微米氣泡（MB）、微納米氣泡（MNB）、納米氣泡（NB）。所謂的微納米氣泡，是指氣泡發(fā)生時直徑在10微米左右到數(shù)百納米之間的氣泡，這種氣泡是介于微米氣泡和納米氣泡之間，具有常規(guī)氣泡所不具備的物理與化學(xué)特性。

 

 三、微納米氣泡的特性

 1.比表面積大

 氣泡的體積和表面積的關(guān)系可以通過公式表示。氣泡的體積公式為V=4π/3r³，氣泡的表面積公式為A=4πr²，兩公式合并可得A=3V/r，即V_總=n·A=3V_總/r。也就是說，在總體積不變（V不變）的情況下，氣泡總的表面積與單個氣泡的直徑成反比。根據(jù)公式，10微米的氣泡與1毫米的氣泡相比較，在一定體積下前者的比表面積理論上是后者的100倍。空氣和水的接觸面積就增加了100倍，各種反應(yīng)速度也增加了100倍。

 

 2.上升速度慢

 根據(jù)斯托克斯定律，氣泡在水中的上升速度與氣泡直徑的平方成正比。氣泡直徑越小則氣泡的上升速度越慢。從氣泡上升速度與氣泡直徑的關(guān)系圖可知，氣泡直徑1mm的氣泡在水中上升的速度為6m/min，而直徑10μm的氣泡在水中的上升速度為3mm/min，后者是前者的1/2000。如果考慮到比表面積的增加，微納米氣泡的溶解能力比一般空氣增加20萬倍。

 

 3.自身增壓溶解

 水中的氣泡四周存有氣液界面，而氣液界面的存在使得氣泡會受到水的表面張力的作用。對于具有球形界面的氣泡，表面張力能壓縮氣泡內(nèi)的氣體，從而使更多的氣泡內(nèi)的氣體溶解到水中。根據(jù)楊-拉普拉斯方程， ?P=2σ/r,?P代表壓力上升的數(shù)值，σ代表表面張力，r代表氣泡半徑。直徑在0.1mm以上的氣泡所受壓力很小可以忽略，而直徑10μm的微小氣泡會受到0.3個大氣壓的壓力，而直徑1μm的氣泡會受高達(dá)3個大氣壓的壓力。微納米氣泡在水中的溶解是一個氣泡逐漸縮小的過程，壓力的上升會增加氣體的溶解速度，伴隨著比表面積的增加，氣泡縮小的速度會變的越來越快，從而zui終溶解到水中，理論上氣泡即將消失時的所受壓力為無限大。

 

 4.表面帶電

 純水溶液是由水分子以及少量電離生成的H⁺和OH^-組成，氣泡在水中形成的氣液界面具有容易接受H⁺和OH^-的特點(diǎn)，而且通常陽離子比陰離子更容易離開氣液界面，而使界面常帶有負(fù)電荷。已經(jīng)帶上電荷的表面一般傾向于吸附介質(zhì)中的反離子，特別是高價(jià)的反離子，從而形成穩(wěn)定的雙電層。微氣泡的表面電荷產(chǎn)生的電勢差常利用ζ電位來表征，ζ電位是決定氣泡界面吸附性能的重要因素。當(dāng)微納米氣泡在水中收縮時，電荷離子在非常狹小的氣泡界面上得到了快速濃縮富集，表現(xiàn)為ζ電位的顯著增加，到氣泡破裂前在界面處可形成非常高的ζ電位值。

 

 5.產(chǎn)生大量自由基

 微氣泡破裂瞬間，由于氣液界面消失的劇烈變化，界面上集聚的高濃度離子將積蓄的化學(xué)能一下子釋放出來，此時可激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自由基。羥基自由基具有超高的氧化還原電位，其產(chǎn)生的*氧化作用可降解水中正常條件下難以氧化分解的污染物如苯酚等，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的凈化作用。

 6.傳質(zhì)效率高

 氣液傳質(zhì)是許多化學(xué)和生化工藝的限速步驟。研究表明，氣液傳質(zhì)速率和效率與氣泡直徑成反比，微氣泡直徑極小， 在傳質(zhì)過程中比傳統(tǒng)氣泡具有明顯優(yōu)勢。當(dāng)氣泡直徑較小時，微氣泡界面處的表面張力對氣泡特性的影響表現(xiàn)得較為顯著。這時表面張力對內(nèi)部氣體產(chǎn)生了壓縮作用，使得微氣泡在上升過程中不斷收縮并表現(xiàn)出自身增壓效應(yīng)。從理論上看，隨著氣泡直徑的無限縮小，氣泡界面的比表面積也隨之無限增大，zui終由于自身增壓效應(yīng)可導(dǎo)致內(nèi)部氣壓增大到無限大。因此，微氣泡在其體積收縮過程中，由于比表面積及內(nèi)部氣壓地不斷增大，使得更多的氣體穿過氣泡界面溶解到水中，且隨著氣泡直徑的減小表面張力的作用效果也越來越明顯，zui終內(nèi)部壓力達(dá)到一定極限值而導(dǎo)致氣泡界面破裂消失。因此，微氣泡在收縮過程中的這種自身增壓特性，可使氣液界面處傳質(zhì)效率得到持續(xù)增強(qiáng)，并且這種特性使得微氣泡即使在水體中氣體含量達(dá)到過飽和條件時，仍可繼續(xù)進(jìn)行氣體的傳質(zhì)過程并保持高效的傳質(zhì)效率。

 7.氣體溶解率高

 微納米氣泡具有上升速度慢、自身增壓溶解的特點(diǎn)，使得微納米氣泡在緩慢的上升過程中逐步縮小成納米級，zui后消減湮滅溶入水中，從而能夠大大提高氣體（空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳等）在水中的溶解度。對于普通氣泡，氣體的溶解度往往受環(huán)境壓力的影響和限制存在飽和溶解度。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，氣體的溶解度很難達(dá)到飽和溶解度以上。而微納米氣泡由于其內(nèi)部的壓力高于環(huán)境壓力，使得以大氣壓為假定條件計(jì)算的氣體過飽和溶解條件得以打破。

 四、微納米氣泡的發(fā)生方法

 旋回式氣液混合型微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是按照流體力學(xué)計(jì)算為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)生器，在進(jìn)入發(fā)生器的氣液混合流體在壓力作用下高速旋轉(zhuǎn)，并在發(fā)生器的中部形成負(fù)*，利用負(fù)*的吸力可將液體中混合的氣體或者外部接入的氣體集中到負(fù)*上，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的液體和氣體在適當(dāng)?shù)膲毫ο聫奶貏e設(shè)計(jì)的噴射口噴出時，由于噴口處混合氣液的超高的旋轉(zhuǎn)速度與氣液密度比（1:1000）的力學(xué)上的相乘效果，在氣液接觸界面間產(chǎn)生高速強(qiáng)力的剪切及高頻率的壓力變動，形成人造條件，在這種條件下生成大量微米、納米級氣泡的同時具有打碎聚合分子團(tuán)，形成小分子團(tuán)活性水的效果，并能夠?qū)⑿〔糠炙肿与婋x分解，可以在微納米氣泡空間中產(chǎn)生活性氧、氧離子、氫離子和氫氧離子等自由基離子，尤其氫氧自由基有超高的還原電位，具有*氧化效果可以分解水中正常條件下也難以分解的污染物，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化。微納米氣泡在水中的溶解率超過85%，溶解氧濃度可以達(dá)到飽和濃度以上，并且微納米氣泡是以氣泡的方式長時間（上升速度6cm/分鐘）存留在水中，可以隨著溶解氧的消耗不斷地向水中補(bǔ)充活性氧，為處理污水的微生物提供了充足的活性氧、強(qiáng)氧化性離子團(tuán)，并保證了活性氧充足的反應(yīng)時間，由微納米氣泡處理過的水的凈化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然條件下的自凈能力。

 五、微納米氣泡的應(yīng)用

 1.水產(chǎn)養(yǎng)殖

 在工廠化漁業(yè)的養(yǎng)殖上，特別是未來漁業(yè)的陸基養(yǎng)殖技術(shù)，大多是往高密度的集約化方向發(fā)展，在這種環(huán)境下，水體中高度溶氧的控制對魚的健康及生長來說是至關(guān)重要的一環(huán)，采用超細(xì)微泡技術(shù)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的增氧方式，將是一項(xiàng)革命性的創(chuàng)新，可以大大提高魚的活性與產(chǎn)量，是養(yǎng)殖業(yè)走向工廠化的有力保障，并且微納米氣泡具有刺激生物生長及增強(qiáng)免疫力的效果。

   在日本廣島的牡蠣養(yǎng)殖場中的試驗(yàn)證明，微納米氣泡可以促進(jìn)牡蠣血液循環(huán)，提高生長速度，并增強(qiáng)免疫力，降低養(yǎng)殖成本。在日本的愛知萬國博覽會上由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所展示的淡水魚與海水魚的混合高密度養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)中采用了微納米氣泡技術(shù)，結(jié)果在鹽分濃度為1%的含有微納米純氧水的水槽中可將鯉魚和鯛混合養(yǎng)殖。鯛是對鹽分的變化非常敏感的海水魚，鯉魚是淡水魚，如果在沒有微納米氣泡存在的條件下，這兩種魚都是很難在1%的鹽水中生存的。

 2.無土栽培

 生態(tài)農(nóng)業(yè)：在水培植物生產(chǎn)過程中，水中溶氧量是影響生長發(fā)育速度的重要因子，溶氧充足生長就快，溶氧度低不僅生長慢，而且低至植物所需溶氧的臨界值以下，還會出現(xiàn)缺氧爛根，所以在生產(chǎn)上以提高水中溶氧作為水培的主體技術(shù)，不管是循環(huán)方式栽培模式如何多樣化，但zui終都是為圍繞溶氧的提高作為其模式的可行性保障，凡是能讓水中溶氧提高的技術(shù)措施，都是增進(jìn)植物生長與促進(jìn)發(fā)育的增產(chǎn)措施。在未來的生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)中，超細(xì)微氣泡技術(shù)必將是*的配套新技術(shù)。

 在設(shè)施園藝和旱地滴灌中，已廣泛采用氣泵充氧等措施來增加水中溶氧量，提高作物根際氧含量，促進(jìn)根系生長，進(jìn)而增加產(chǎn)量，并提高水分和肥料利用效率。但是傳統(tǒng)的充氧方式效率比較低，難以使灌溉水中溶氧值迅速增加，利用微納米氣泡快速發(fā)生裝置對灌溉水進(jìn)行曝氣處理，可以使溶氧值迅速達(dá)到超飽和狀態(tài)，形成微納米氣泡水用于灌溉。微納米氣泡水不僅能夠提供充足的氧氣，并且其*的帶電性、氧化性、殺菌性等使其具有特殊的生物活性，促進(jìn)植物的生長發(fā)育。

 3.果蔬清洗

 機(jī)能性的微納米臭氧氣泡水可以實(shí)現(xiàn)無害化的非熱殺菌，既能保持其株型與原質(zhì)，又可以達(dá)到無菌化的目的。臭氧具有強(qiáng)氧化性，可與蔬菜、水果中的殘留有機(jī)磷農(nóng)藥發(fā)生反應(yīng)，強(qiáng)氧化劑或自由基的強(qiáng)氧化作用可將農(nóng)藥分子的雙鍵斷開，苯環(huán)開環(huán)，破壞其分子結(jié)構(gòu)，生成相應(yīng)的酸、醇、胺或其氧化物等小分子化合物，這些小分子化合物大多無毒，易溶于水，可馬上被洗滌出去。同時臭氧可殺滅表面的各種細(xì)菌和病毒，達(dá)到解毒目的。與一般的臭氧水相比，對去除鮮果、蔬菜上附著的殘留農(nóng)藥有更顯著的效果。

 4.洗浴保健

 微納米氣泡浴：水中如果含有大量的微納米氣泡，就會降低水的透明度，顏色像牛奶一樣發(fā)白，故微納米氣泡浴又稱牛奶浴。水中的氣泡從零開始增大至微米級氣泡而破滅，產(chǎn)生的低音頻率具有去除污垢的效果，同時低音頻率更具有刺激腦內(nèi)啡的產(chǎn)生，令人有鎮(zhèn)靜與愉悅的感覺。此外，如果水中含有以氧氣產(chǎn)生的超微氧氣泡，當(dāng)身體浸泡在這種含高氧量的水中，可以滋養(yǎng)皮膚、延緩老化，達(dá)到高氧療法之功效。并且沒有任何添加劑，符合現(xiàn)代人對環(huán)保及健康生活的要求。

 5.生態(tài)修復(fù)

 研究發(fā)現(xiàn)富含微納米氧氣氣泡的水對動植物都具有促進(jìn)生物活性的作用。這是由于微納米氣泡在水中存在時間長，內(nèi)部承載氣體釋放到水中的過程較慢，因此可實(shí)現(xiàn)對承載氣體的充分利用，提供充足的活性氧以促進(jìn)水中生物的新陳代謝活性。向污染的缺氧水域中鼓入微納米氣泡時，隨著氣泡內(nèi)溶解氧的消耗不斷向水中補(bǔ)充活性氧，可增強(qiáng)水中好氧微生物、浮游生物以及水生動物的生物活性，加速其對水體及底泥中污染物的生物降解過程，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目的。

 6.污水處理

 微納米氣泡是直徑小于50微米的極細(xì)微氣泡，微納米氣泡在水中上升速度慢、停留時間長、溶解效率高，并具備自增氧、帶負(fù)電荷和富含強(qiáng)氧化性的自由基等特性。這些特點(diǎn)使得微納米氣泡在水處理上具有廣泛的應(yīng)用前景。

懸浮物的吸附去除

 微納米氣泡不僅表面電荷產(chǎn)生的電位高，而且比表面積很大，因此將微納米技術(shù)與混凝工藝聯(lián)用在廢水預(yù)處理中，對懸浮物和油類表現(xiàn)出了良好的吸附效果與高效的去除率，對COD、氨氮及總磷也具有較好的去除效果。

 難降解有機(jī)污染物的強(qiáng)化分解

 微納米氣泡破裂時釋放出的羥基自由基，可氧化分解很多有機(jī)污染物，目前在難降解廢水處理與污泥處理方面，已表現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用前景。為了促使微納米氣泡在水中能夠產(chǎn)生更多的羥基自由基，常采用其它強(qiáng)氧化手段進(jìn)行協(xié)同作用，如紫外線、純氧以及臭氧等強(qiáng)氧化手段，以更好地發(fā)揮對廢水中有機(jī)污染物的氧化分解作用。

 7.船舶減阻

 船舶阻力是船舶能量消耗的主要根源，如果船舶阻力降低了，主機(jī)消耗的能量就降低，船舶能源消耗自然就降低了，同時，降低船舶阻力在主機(jī)功率消耗不變的情況下，可以顯著提高船舶的航行速度。船舶阻力主要包括摩擦阻力、興波阻力、粘壓阻力，其中摩擦阻力要占很多部分?，F(xiàn)有相對成熟的降低船舶摩擦阻的技術(shù)，主要是在設(shè)計(jì)船體時，盡可能減小船體上的濕表面積并使船體表面盡量光順。采用氣泡減阻技術(shù)的船舶統(tǒng)稱為氣泡船，氣泡減阻技術(shù)是把空氣通入船底，在船底表面形成流體密度較低的氣-水混合兩相流，通過改變邊界層內(nèi)流體的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)降低阻力的效果，來達(dá)到節(jié)約能源的目的。對與肥大型低速船舶來說，摩擦阻力占總阻力的80%以上，因此減小摩擦阻力是很有必要的，微氣泡減阻技術(shù)可以很有效的減小摩擦阻力，這在實(shí)船試驗(yàn)中已經(jīng)很好的得到了驗(yàn)證，氣泡減阻技術(shù)有很大的發(fā)展前景。隨著關(guān)于氣泡減阻研究的不斷深入，氣泡減阻技術(shù)得到了廣泛的認(rèn)同。船舶微氣泡減阻研究具有重要的經(jīng)濟(jì)、軍事價(jià)值。尤其在目前節(jié)能減排環(huán)境下，降低船舶阻力研究已經(jīng)成為各國普遍關(guān)注的問題。在近幾十年內(nèi)，國內(nèi)外的研究者們以粘性流體力學(xué)為基礎(chǔ)，一方面通過試驗(yàn)來優(yōu)化船型，減小船舶的形狀阻力；另一方面則考慮流體的粘性系數(shù)，用粘性系數(shù)低的流體代替粘性系數(shù)高的流體，以減小船體表面摩擦阻力。船舶氣泡減阻方法于1876年由勞德*提出，他構(gòu)想在船表面和水之間注入一層氣體，以空氣代替水來與船表面接觸，以降低船體表面摩擦阻力。但是，這一構(gòu)想受到當(dāng)時科技水平的限制，很難實(shí)現(xiàn)。隨著科技水平的不斷提升，國內(nèi)外許多學(xué)者對氣泡減阻技術(shù)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果大部分表明運(yùn)用微納米氣泡減阻技術(shù)來降低摩擦阻力非常顯著。