微納米氣泡技術：超氧納米微氣泡原理

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      一、微納米氣泡技術的發(fā)展歷史

早在19世紀，研究者們就已經利用流體力學和物理學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50年代，在化工領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現(xiàn)象的研究成果，極大地促進了化工機械的大/規(guī)模應用。氣泡的微細化是化學工業(yè)中促進物質移動，增進化學反應速度的關鍵技術，但在當時尚未出現(xiàn)能夠應用于化工領域的微納米氣泡發(fā)生技術和手段。

微納米氣泡發(fā)生技術是20世紀90年代后期產生的，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、微孔加壓、混合射流等方式，均可在一定條件下產生微納米級的氣泡。

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?？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

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的氣體，從而使更多的氣泡內的氣體溶解到水中。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，從而最終溶解到水中，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，而且通常陽離子比陰離子更容易離開氣液界面，而使界面常帶有負電荷。已經帶上電荷的表面一般傾向于吸附介質中的反離子，特別是高價的反離子，從而形成穩(wěn)定的雙電層。微氣泡的表面電荷產生的電勢差常利用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能一下子釋放出來，此時可激發(fā)產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，實現(xiàn)對水質的凈化作用。

6.傳質效率高

氣液傳質是許多化學和生化工藝的限速步驟。研究表明，氣液傳質速率和效率與氣泡直徑成反比，微氣泡直徑極小， 在傳質過程中比傳統(tǒng)氣泡具有明顯優(yōu)勢。當氣泡直徑較小時，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。這時表面張力對內部氣體產生了壓縮作用，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。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，最終由于自身增壓效應可導致內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，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，微氣泡在收縮過程中的這種自身增壓特性，可使氣液界面處傳質效率得到持續(xù)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飽和條件時，仍可繼續(xù)進行氣體的傳質過程并保持高效的傳質效率。

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，使得微納米氣泡在緩慢的上升過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)生技術是按照流體力學計算為依據(jù)進行結構設計的發(fā)生器，在進入發(fā)生器的氣液混合流體在壓力作用下高速旋轉，并在發(fā)生器的中部形成負壓軸，利用負壓軸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壓軸上，當高速旋轉的液體和氣體在適當?shù)膲毫ο聫奶貏e設計的噴射口噴出時，由于噴口處混合氣液的超高的旋轉速度與氣液密度比（1:1000）的力學上的相乘效果，在氣液接觸界面間產生高速強力的剪切及高頻率的壓力變動，形成人造極端條件，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，形成小分子團活性水的效果，并能夠將小部分水分子電離分解，可以在微納米氣泡空間中產生活性氧、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，具有超強氧化效果可以分解水中正常條件下也難以分解的污染物，實現(xiàn)水質的凈化。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充活性氧，為處理污水的微生物提供了充足的活性氧、強氧化性離子團，并保證了活性氧充足的反應時間，由微納米氣泡處理過的水的凈化能力遠遠高于自然條件下的自凈能力。

五、微納米氣泡的應用

1.水產養(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，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重要的一環(huán)，采用超細微泡技術以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的增氧方式，將是一項革命性的創(chuàng)新，可以大大提高魚的活性與產量，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免疫力的效果。

在日本廣島的牡蠣養(yǎng)殖場中的試驗證明，微納米氣泡可以促進牡蠣血液循環(huán)，提高生長速度，并增強免疫力，降低養(yǎng)殖成本。在日本的愛知萬國博覽會上由日本產業(yè)技術研究所展示的淡水魚與海水魚的混合高密度養(yǎng)殖實驗中采用了微納米氣泡技術，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)農業(yè)：在水培植物生產過程中，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，所以在生產上以提高水中溶氧作為水培的主體技術，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措施，都是增進植物生長與促進發(fā)育的增產措施。在未來的生態(tài)農業(yè)技術中，超細微氣泡技術必將是不可或缺的配套新技術。

在設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，促進根系生長，進而增加產量，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，促進植物的生長發(fā)育。

3.果蔬清洗

機能性的微納米臭氧氣泡水可以實現(xiàn)無害化的非熱殺菌，既能保持其株型與原質，又可以達到無菌化的目的。臭氧具有強氧化性，可與蔬菜、水果中的殘留有機磷農藥發(fā)生反應，強氧化劑或自由基的強氧化作用可將農藥分子的雙鍵斷開，苯環(huán)開環(huán)，破壞其分子結構，生成相應的酸、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菌和病毒，達到解毒目的。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啡的產生，令人有鎮(zhèn)靜與愉悅的感覺。此外，如果水中含有以氧氣產生的超微氧氣泡，當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

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，內部承載氣體釋放到水中的過程較慢，因此可實現(xiàn)對承載氣體的充分利用，提供充足的活性氧以促進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，實現(xiàn)水質凈化目的。

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、帶負電荷和富含強氧化性的自由基等特性。這些特點使得微納米氣泡在水處理上具有廣泛的應用前景。

懸浮物的吸附去除

微納米氣泡不僅表面電荷產生的電位高，而且比表面積很大，因此將微納米技術與混凝工藝聯(lián)用在廢水預處理中，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。

難降解有機污染物的強化分解

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)出了潛在的應用前景。為了促使微納米氣泡在水中能夠產生更多的羥基自由基，常采用其它強氧化手段進行協(xié)同作用，如紫外線、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。

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，主要是在設計船體時，盡可能減小船體上的濕表面積并使船體表面盡量光順。采用氣泡減阻技術的船舶統(tǒng)稱為氣泡船，氣泡減阻技術是把空氣通入船底，在船底表面形成流體密度較低的氣-水混合兩相流，通過改變邊界層內流體的結構，以實現(xiàn)降低阻力的效果，來達到節(jié)約能源的目的。對于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，微氣泡減阻技術可以很有效的減小摩擦阻力，這在實船試驗中已經很好的得到了驗證，氣泡減阻技術有很大的發(fā)展前景。隨著關于氣泡減阻研究的不斷深入，氣泡減阻技術得到了廣泛的認同。船舶微氣泡減阻研究具有重要的經濟、軍事價值。尤其在目前節(jié)能減排環(huán)境下，降低船舶阻力研究已經成為各國普遍關注的問題。在近幾十年內，國內外的研究者們以粘性流體力學為基礎，一方面通過試驗來優(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年由勞德首次提出，他構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，這一構想受到當時科技水平的限制，很難實現(xiàn)。隨著科技水平的不斷提升，國內外許多學者對氣泡減阻技術進行了大量的理論和實驗研究，結果大部分表明運用微納米氣泡減阻技術來降低摩擦阻力非常顯著。

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