微纳米气泡发生装置及其应用的研究进展

微纳米气泡发生装置及其应用的研究进展

微纳米气泡作为一种新兴的气泡技术，在环保、医疗、船舶等多个领域展现出广阔的应用前景。本文综述了微纳米气泡发生装置的研究进展，介绍了微纳米气泡特性、气泡发生原理、气泡发生装置及其应用情况，并对未来微纳米气泡发生装置的研究重点和发展方向进行展望。

微纳米气泡的特性

微纳米气泡由于尺寸较小，能表现出有别于普通气泡的特性，如存在时间长、较高的界面ζ电位和传质效率高等特性。

存在时间长

普通气泡由于尺寸较大在水中受到的浮力远大于自身重力，因而会迅速上升到水面而破裂。而微纳米气泡由于自身体积很小，在水中所受浮力相应也很小，从而表现出上升缓慢的特性。如直径为1 mm的气泡在水中上升的速度为6 m/min，而直径为10 μm的气泡在水中的上升速度仅为3 mm/min，后者是前者的1/2 000。

图1 普通气泡、微气泡与纳米气泡的区别

较高的界面ζ 电位

微纳米气泡的界面ζ 电位表示由于气泡表面吸附有电荷离子的双电层而形成的电势差，它是影响气泡表面吸附性能的重要因素。双电层结构由带负电的表面电荷离子层（如OH-）等和带正电的反电荷离子层（如H3O+）等组成。

图2 微纳米气泡界面双电层示意图

传质效率高

当气泡直径较小时，微纳米气泡受到表面张力影响，使得气泡内部压力远大于外界液体压力，从而压缩气泡内部气体形成了自增压效应。当气泡内部发生自增压时，内部压力不断增大，从而促进了气泡内部气体穿过气液界面溶解到液相中。因此，微纳米气泡的这种自增压效应，可有效提高气液界面的传质效率。

微纳米气泡发生机制及其装置

目前根据气泡发生机制可将微纳米气泡发生技术主要分为溶气析出、引气制造以及电解析出等方式。

加压溶气析出气泡

加压溶气析出气泡原理是通过改变气体压力，使气体在液体中溶解度发生变化，再通过突然的压力恢复使溶解的气体以微纳米气泡形式析出。

加压溶气式装置是利用水泵提供有一定压力的循环水流至压力溶气罐中，同时利用空气压缩机将空气压入溶气罐中，在压力溶气罐内形成高压气水混合状态使气体过饱和溶解，之后通过释放器突然减压使气体以微纳米气泡的形式从水中析出。加压溶气装置主要由空气压缩机、循环水泵、压力溶气罐和释放器组成。

图3 加压溶气微纳米气泡发生装置示意图

引气制造气泡

引气制造气泡原理是利用各种剪切力作用，将气体粉碎使之形成微纳米气泡进入液相中。引气制造气泡法可分为3种：压缩空气通过扩散板法、机械力高速剪切空气法与引射流分散空气法。

压缩空气通过扩散板法是将加压空气通过特制扩散板上的微孔进入液相中，气体在微孔的切割作用下形成微纳米气泡。扩散板常用冶金粉末、陶瓷或塑料材料，在高温下烧结而成。

机械力高速剪切装置通常使用高速旋转的叶轮，由叶轮旋转产生的剪切作用将液体中较大的气泡分割成微纳米气泡。美国、日本等国已研发出相应的产品，其中，代表性的是美国HydroCal环保公司于1985年发明的引气装置，该装置利用底部叶轮高速旋转在水中形成一个真空区，液面上的空气通过曝气机被吸入水中，依靠曝气机的叶片把空气粉碎成气泡，并螺旋式上升到水面。

引射流分散空气法是由空气压缩机注入或自吸入空气后形成气液混合高速射流，依靠气液间乱流紊动以产生微纳米气泡。空气压缩机注入式是利用空气压缩机将空气强制送入吸入室供气。自吸式是利用高速射流在吸入室形成负压将空气吸入供气。

电解析出气泡

电解析出气泡发生原理：水中通电，分别在正负极板产生微纳米气泡。这种发生方式产生的微气泡直径大多介于20～60 μm，气泡尺寸的可控性好，但存在气泡量较少、电极消耗、能耗较高等缺点。在很多实际应用中对电解装置有严格要求，如在船舶减阻装置需要产生大面积的微气泡包裹船底表面，因此出现了采用矩形节点电极、阵列式微电极等的新型装置。

图5 阵列矩形节点电极微纳米气泡发生装置的示意图

微纳米气泡发生装置及应用

由于微纳米气泡具有尺寸小、比表面积大、吸附效率高等特性，因此在很多领域中都对微纳米气泡发生装置进行了设计、研究和应用。

提高气浮效率

微纳米气泡由于直径小、比表面积大，所以在水中停留时间长、气泡吸附效率高。Rodrigues等采用在276 kPa空气或氩气气氛中加压矿浆1 min后通过浮选柱排浆放压形成微气泡（30～100 μm），再由浮选柱内射流器形成的传统气泡聚合对矿物（粒径小于13 μm）进行浮选，该方法可有效改善分离参数、提高气浮效率，但装置仍存在设备较大、操作复杂、运行费用较高等问题。

进行水体修复和净化

微纳米气泡发生装置产生的微纳米气泡具有水中停留时间长、气体溶解速度快的特点，可大幅提高增氧效率，更有效地改善水体供氧，达到修复水体的目的。Okamoto等采用高速射流气泡发生装置对海底污泥进行复氧修复，利用微纳米气泡强化氧气在气液中的传递以提高底泥的含氧量，来增强微生物对污泥中污染物的生物分解作用。

实现船舶减阻

微纳米气泡船舶减阻是利用水与空气密度、黏度的差别，通过在航行体表面形成薄层气液两相流，改善船体流体力学性能，达到减阻的目的。装置主要由多孔板或内置微细电极的气泡发生装置构成。王家楣等采用长0.2 m、宽0.4 m、厚0.005 m的多孔硅板生成微纳米气泡进行船模减阻实验。

高精度传递

微纳米气泡作为载质，高精度传递主要应用于生物药品传递、精密化学反应控制、热喷印控制技术中。在生物技术领域中主要是用高精度单个微纳米气泡发生装置产生的单个气泡运载一定量的基因或药品到靶组织，由超声波作用而破裂将所载基因或药品释放给靶组织。利用微气泡高精度传递不仅可以提高药物的利用效率也可以减少对其他组织的伤害，同时可以通过改变微纳米气泡的尺寸来精确改变运载的药品量。

结语

由于微纳米气泡有别于普通气泡的特性，在很多领域都有良好的技术优势和应用潜力。目前，微纳米气泡发生原理主要有溶气析出气泡、引气制造气泡、电解析出气泡3种，随着技术的不断进步，超声波、化学反应、微管道、高温等微纳米气泡发生原理等也将得到研究和发展。将不同原理的微纳米气泡发生技术相结合，可有效地提高气泡产量和减小气泡尺寸离散度，但应注重不同微纳米气泡发生机制的有效相互结合。这需要开展基础理论和实际应用方面的研究，以便创造出适应不同需要、更简便、低成本、低能耗的微纳米气泡发生装置。

相对普通气泡发生装置，微纳米气泡发生装置的制造难度、能耗及维护费用都明显增大。针对微纳米气泡发生装置进行简化设计，降低制造难度；进行能耗分析，降低能耗等将是微纳米气泡发生装置技术未来研究的重点。

微纳米气泡发生装置可以应用的领域很广泛，如气浮、水体修复、船舶减阻、高精度传递等技术领域。在水体净化中，将微纳米气泡发生装置与混凝工艺、强氧化技术联合应用，可有效增强原有技术的处理效果。因此将微纳米气泡发生装置与其他技术联用可以起到工艺增强的作用，但对于联用后气泡发生装置的联用条件的选择与优化仍需要进一步的研究。