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，極大地促進(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。

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，指在發(fā)生時，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(tǒng)稱為微納米氣泡。在水中通常外觀表現(xiàn)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

微納米氣泡粒徑小，上升速度慢，傳質(zhì)效率高。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.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(qiáng)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)生的超強(qiáng)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，最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，最終內(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，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(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。

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，滿足水處理需求，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)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(shè)計(jì)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(xiàng)國家專利，被認(rèn)定為北京市新技術(shù)新產(chǎn)品，經(jīng)科學(xué)技術(shù)成果評價達(dá)到國際先進(jìn)水平。

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。

廣西玉林農(nóng)業(yè)嘉年華魚菜共生系統(tǒng)

應(yīng)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(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)必將是不可或缺的配套新技術(shù)。

金湖水漾年華無土栽培設(shè)施

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

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)植物的生長發(fā)育。

3.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。

浙江省長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(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。

5.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。