微納米氣泡技術(shù)的發(fā)展歷史

早在19世紀，研究者們就已經(jīng)利用流體力學(xué)和物理學(xué)開(kāi)始了對于毫米級氣泡在液體中生成、上升過(guò)程的研究。上個(gè)世紀50年代，在化工領(lǐng)域開(kāi)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現象的研究成果，極大地促進(jìn)了化工機械的大/規模應用。氣泡的微細化是化學(xué)工業(yè)中促進(jìn)物質(zhì)移動(dòng)，增進(jìn)化學(xué)反應速度的關(guān)鍵技術(shù)，但在當時(shí)尚未出現能夠應用于化工領(lǐng)域的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)和手段。

微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是20世紀90年代后期產(chǎn)生的，21世紀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。

微納米氣泡的定義

通常我們把氣體在液體中的存在現象稱(chēng)作氣泡。氣泡的形成現象，在自然界中的許多過(guò)程中都能遇到，當氣體在液體中受到剪切力的作用時(shí)就會(huì )形成大小、形狀各不相同的氣泡。目前，對氣泡的分類(lèi)與定義并不是十分嚴格，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，指在發(fā)生時(shí)，直徑在1-50微米的氣泡為微米氣泡，直徑1微米以下的氣泡為納米級氣泡，兩者統稱(chēng)為微納米氣泡。在水中通常外觀(guān)表現為乳白色。

微納米氣泡的特性

1.傳質(zhì)面積大

同體積氣體形成的氣泡比表面積大，傳質(zhì)效率高。氣泡的體積和表面積的關(guān)系可以通過(guò)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(shuō)，在總體積不變（V不變）的情況下，氣泡總的表面積與單個(gè)氣泡的直徑成反比。根據公式，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?？諝夂退慕佑|面積就增加了100倍，各種反應速度也增加了100倍。

2.上升速度慢

微納米氣泡粒徑小，上升速度慢，傳質(zhì)效率高。根據斯托克斯定律，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(wàn)倍。

3.自身加壓溶解

自我增壓溶解，具有溶解效率高（85%）的效果。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(huì )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的氣體，從而使更多的氣泡內的氣體溶解到水中。根據楊-拉普拉斯方程，?P=2σ/r,?P代表壓力上升的數值，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(huì )受到0.3個(gè)大氣壓的壓力，而直徑1μm的氣泡會(huì )受高達3個(gè)大氣壓的壓力。微納米氣泡在水中的溶解是一個(gè)氣泡逐漸縮小的過(guò)程，壓力的上升會(huì )增加氣體的溶解速度，伴隨著(zhù)比表面積的增加，氣泡縮小的速度會(huì )變的越來(lái)越快，從而最終溶解到水中，理論上氣泡即將消失時(shí)的所受壓力為無(wú)限大。

4.氣泡表面電荷富集

氣泡表面富集離子，產(chǎn)生更多的羥基自由基，增強臭氧等氧化效果。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(yáng)離子比陰離子更容易離開(kāi)氣液界面，而使界面常帶有負電荷。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(lái)表征，ζ電位是決定氣泡界面吸附性能的重要因素。當微納米氣泡在水中收縮時(shí)，電荷離子在非常狹小的氣泡界面上得到了快速濃縮富集，表現為ζ電位的顯著(zhù)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(lái)，此時(shí)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)生的超強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(guò)程中比傳統氣泡具有明顯優(yōu)勢。當氣泡直徑較小時(shí)，微氣泡界面處的表面張力對氣泡特性的影響表現得較為顯著(zhù)。

這時(shí)表面張力對內部氣體產(chǎn)生了壓縮作用，使得微氣泡在上升過(guò)程中不斷收縮并表現出自身增壓效應。從理論上看，隨著(zhù)氣泡直徑的無(wú)限縮小，氣泡界面的比表面積也隨之無(wú)限增大，最終由于自身增壓效應可導致內部氣壓增大到無(wú)限大。

因此，微氣泡在其體積收縮過(guò)程中，由于比表面積及內部氣壓地不斷增大，使得更多的氣體穿過(guò)氣泡界面溶解到水中，且隨著(zhù)氣泡直徑的減小表面張力的作用效果也越來(lái)越明顯，最終內部壓力達到一定極限值而導致氣泡界面破裂消失。

因此，微氣泡在收縮過(guò)程中的這種自身增壓特性，可使氣液界面處傳質(zhì)效率得到持續增強，并且這種特性使得微氣泡即使在水體中氣體含量達到過(guò)飽和條件時(shí)，仍可繼續進(jìn)行氣體的傳質(zhì)過(guò)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(guò)程中逐步縮小成納米級，最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。

在標準環(huán)境下，氣體的溶解度很難達到飽和溶解度以上。而微納米氣泡由于其內部的壓力高于環(huán)境壓力，使得以大氣壓為假定條件計算的氣體過(guò)飽和溶解條件得以打破。

微納米氣泡的發(fā)生方法

微納米氣泡快速發(fā)生裝置：把氣體（如：空氣、氧氣、臭氧等）用高速旋回切割方式溶入水中，快速、高效地制取微納米氣泡水，提高氣體的溶解效率，滿(mǎn)足水處理需求，可廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)以及生活用水的處理中。

本裝置是我公司自主研發(fā)、設計與生產(chǎn)的新一代微納米氣泡發(fā)生裝置，并已經(jīng)取得了多項國家專(zhuān)利，被認定為北京市新技術(shù)新產(chǎn)品，經(jīng)科學(xué)技術(shù)成果評價(jià)達到國際先進(jìn)水平。

微納米氣泡的應用

1.水產(chǎn)養殖

在工廠(chǎng)化漁業(yè)的養殖上，特別是未來(lái)漁業(yè)的陸基養殖技術(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(yú)的健康及生長(cháng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的一環(huán)，采用超細微泡技術(shù)以代替傳統的增氧方式，將是一項革命性的創(chuàng )新，可以大大提高魚(yú)的活性與產(chǎn)量，是養殖業(yè)走向工廠(chǎng)化的有力保障，并且微納米氣泡具有刺激生物生長(cháng)及增強免疫力的效果。

廣西玉林農業(yè)嘉年華魚(yú)菜共生系統

應用微納米氣泡發(fā)生裝置提高水體溶解氧

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

2.無(wú)土栽培

生態(tài)農業(yè)：在水培植物生產(chǎn)過(guò)程中，水中溶氧量是影響生長(cháng)發(fā)育速度的重要因子，溶氧充足生長(cháng)就快，溶氧度低不僅生長(cháng)慢，而且低至植物所需溶氧的臨界值以下，還會(huì )出現缺氧爛根，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，但最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(cháng)與促進(jìn)發(fā)育的增產(chǎn)措施。在未來(lái)的生態(tài)農業(yè)技術(shù)中，超細微氣泡技術(shù)必將是不可或缺的配套新技術(shù)。

金湖水漾年華無(wú)土栽培設施

引進(jìn)我司的微納米氣泡營(yíng)養液增氧消毒裝置為營(yíng)養液進(jìn)行增氧消毒

在設施園藝和旱地滴灌中，已廣泛采用氣泵充氧等措施來(lái)增加水中溶氧量，提高作物根際氧含量，促進(jìn)根系生長(cháng)，進(jìn)而增加產(chǎn)量，并提高水分和肥料利用效率。但是傳統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，并且其特有的帶電性、氧化性、殺菌性等使其具有特殊的生物生理活性，促進(jìn)植物的生長(cháng)發(fā)育。

3.生態(tài)修復

研究發(fā)現富含微納米氧氣氣泡的水對動(dòng)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(shí)間長(cháng)，內部承載氣體釋放到水中的過(guò)程較慢，因此可實(shí)現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(shí)，隨著(zhù)氣泡內溶解氧的消耗不斷向水中補充活性氧，可增強水中好氧微生物、浮游生物以及水生動(dòng)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(guò)程，實(shí)現水質(zhì)凈化目的。

浙江省長(cháng)興縣微納米氣泡水河道治理

4.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)用在廢水預處理中，對懸浮物和油類(lèi)表現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。

5.難降解有機污染物的強化分解

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