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(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，極大地促進了化工機械的大/規(guī)模應(yīng)用。氣泡的微細化是化學工業(yè)中促進物質(zhì)移動，增進化學反應(yīng)速度的關(guān)鍵技術(shù)，但在當時尚未出現(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、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，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，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(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(zhì)的凈化作用。

6.傳質(zhì)效率高

氣液傳質(zhì)是許多化學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(zhì)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(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，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(nèi)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。

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)取得了多項國家專利，被認定為北京市新技術(shù)新產(chǎn)品，經(jīng)科學技術(shù)成果評價達到國際先進水平。

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)，采用超細微泡技術(shù)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(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(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)殖實驗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，都是增進植物生長與促進發(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

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

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，促進根系生長，進而增加產(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.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(nèi)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(nèi)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(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(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。