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北極星水處理網訊:摘要：微納米氣泡的出現及其不同於普通氣泡的特點，使其在水處理等領域顯現出優良的技術優勢和應用前景。介紹了微納米氣泡以及其比表面積大、停留時間長、自身增壓溶解、界面ζ電位高、產生自由基、強化傳質效率等特點，論述了微納米氣泡在水體增氧、氣浮工藝、強化臭氧化、增強生物活性等環境汙染控制領域的應用研究。之後重點闡述了微納米氣泡發生裝置及其發生機理，提出開發結構簡單、能耗更低、性能更優的發生裝置是微納米氣泡技術未來研究的重點。
關鍵詞：微納米氣泡；氣泡發生裝置；水處理
0 引 言
微米氣泡(microbubble)通常是指存在於水中直徑為10～50 μm的微小氣泡，直徑小於200 nm的超微小氣泡稱為納米氣泡(nanobubble)，介於微米氣泡和納米氣泡之間的氣泡稱為微納米氣泡(micro-nano bubble)[1]，與傳統大氣泡(coarse bubble，直徑>50 mm)和小氣泡(fine bubble，直徑<5 mm)相比，微納米氣泡直徑小，其傳質特性和界面性質均顯著不同於傳統大氣泡。本文介紹了微納米氣泡的特性及其在水處理中的應用，並對水處理領域中常見微納米氣泡發生裝置及其機理加以論述和比較，最後對微納米氣泡及其發生裝置的研究重點予以展望。
1 微納米氣泡的基本特性
1.1 比表面積大
微納米氣泡擁有較大的比表面積，氣泡的比表面積可表示為S/V=3/r。在氣泡體積不變時，氣泡比表面積與氣泡半徑成反比，氣泡半徑為10 μm和1 mm的氣泡相比，在一定體積下前者的比表面積理論上是後者的100倍[2]。
1.2 水中停留時間長
傳統充氧曝氣，氣泡直徑大，與水體接觸表面積小，氣泡快速上升到水面並破裂消失，停留時間過短，溶氧效果差。而微納米氣泡在水中上升的速度較慢，從產生到破裂的歷程通常達到幾十秒甚至幾分鐘。有研究表明，直徑1 mm氣泡在水中上升的速度為6 m/min，而直徑為10 μm氣泡上升速度為3 mm/min，後者是前者的1/2 000[3-4]。
1.3 自身增壓溶解
水中的氣泡四周存在氣液界面，氣液界面的存在使得氣泡受到水的表面張力作用。對於具有球形界面的氣泡，表面張力能夠壓縮氣泡內的氣體，從而使氣體更易溶解到水中，壓力的上升會增加氣體的溶解度。隨著比表面積的增加，氣泡縮小的速度逐漸變快，最終完全溶解。
Xu等[5]實驗發現不同的產生方法和表面活性劑，微氣泡收縮的臨界直徑不同。表面活性劑為L-150A時，機械攪拌法和超聲法產生氣泡的收縮直徑分別為100，50 μm；表面活性劑為1% SDS時，機械攪拌法和超聲波法產生氣泡的收縮直徑分別為80，40 μm。
1.4 界面ζ電位高
微納米氣泡的表面電荷產生的電勢差常用ζ電位表示，ζ電位是影響氣泡表面吸附性能的重要因素，其值的高低在很大程度上決定了微納米氣泡界面的吸附性能。Ushikubo等[6]研究發現，氧氣微納米氣泡的ζ電位一般在-45～-34 mV，而空氣微納米氣泡的ζ電位則為-20～-17 mV。
1.5 產生自由基
微納米氣泡不需要外界刺激即可產生自由基。微米氣泡在收縮時，由於雙電層的電荷密度迅速增高，氣泡破裂時，氣液界面消失的劇烈變化將界面上高濃度的正負離子積蓄的能量釋放，此時可激發產生大量的羥基自由基。羥基自由基具有超強氧化作用，可降解水中正常條件下難以降解的汙染物如苯酚等。研究發現，pH值較低時有利於羥基自由基的生成，此外，微納米氣泡的氣體種類也會影響到氣泡破裂時自由基的生成量[4, 7-8]。
1.6 強化傳質效率
氣體的傳質速率很大程度上取決於氣液相的傳質面積，而氣液比表面積取決於截留在液體中的氣體體積以及氣泡直徑[9]。氣液比表面積可表示為a=6H0/dB，氣體截留率H0越大，氣泡直徑dB越小，則氣液比表面積a值越大，由此可以得出氣泡直徑的大小直接影響氧的傳質效率。
2 微納米氣泡在水處理中的應用
2.1 微納米氣泡在水體增氧中的應用
汙染物直接排放到附近的河流和湖泊中，微生物在分解汙染物的過程中迅速消耗水體中的溶解氧，導致含氧量迅速下降，河流發黑髮臭，生態系統遭到破壞。對水體進行曝氣復氧，不僅可有效解決發黑髮臭問題，而且不會產生二次汙染。
洪濤等[10]採用國產微米氣泡發生裝置，考察了微米曝氣與普通曝氣對黑臭河水的處理效果。相同曝氣強度下，微米氣泡可產生更高的溶解氧(DO)，曝氣60 min時，DO可達9.87 mg/L，而普通曝氣在100 min時才達到6.54 mg/L。同時微米氣泡對COD、NH3-N、Geosmin和2-MIB的最大去除率分別比普通曝氣高出12%、10%、16%、12%。靳明偉等[11]利用日本的超微氣泡曝氣機進行實驗研究，發現該技術能夠很好地提高水中的溶解氧並有效消解底泥有機物，減少底泥厚度，實現水體的修復。
2.2 微納米氣泡在氣浮工藝中的應用
氣浮工藝是指在水體中通入或產生大量的微細氣泡，使其黏附在雜質絮體上，依靠浮力使其上浮在水面，從而實現固液的高效分離，微納米氣泡ζ電位高、與懸浮物的接觸時間較長使氣泡與懸浮物黏附效率提高，從而氣浮效率可大大增強。
Liu等[12]比較了微米氣泡氣浮工藝與傳統氣泡氣浮工藝對印染廢水的預處理效果。結果表明：微納米氣泡氣浮工藝能夠減少絮凝劑的投加量並能加快預處理的速率，相比傳統氣泡，微納米氣泡對COD、色度和油的去除效率要高出30，110，40個百分點，處理後廢水的可生化性由0.290提高至0.363。有學者提出了利用微納米氣泡治理含藻汙水，將藻類俘獲在氣泡表面，實現清水與藍藻的分離。
2.3 微納米氣泡在強化臭氧化中的應用
臭氧是一種強氧化劑，被廣泛用於水體中無機和有機化合物的去除，改善飲用水的口感和色度。雖然臭氧具有強氧化性，但本身卻無法氧化分解一些有機物或將有機物徹底分解[13-14]。而研究發現，臭氧微納米氣泡卻能有效地分解一些難分解的有機物，微氣泡破裂瞬間可激發產生大量羥基自由基，增強對汙染物的分解效果。
Chu等[15]利用臭氧微氣泡與普通氣泡對模擬印染廢水進行處理試驗，臭氧微氣泡工藝每消耗1 g臭氧去除TOC的量是普通氣泡工藝的1.3倍，自由基的數量也較高，處理效果顯著優於普通氣泡。Chu等[16]考察了微氣泡臭氧化工藝的汙泥減量化效果，對比傳統的臭氧氣泡接觸工藝，微氣泡臭氧化可顯著增強臭氧的利用率、提高汙泥的溶解率。微氣泡系統中臭氧的利用率大於99%。
2.4 微納米氣泡在增強生物活性中的應用
研究發現微納米氣泡對動植物有促進生物活性的作用[17-19]，這種作用並非只是溶解氧增加的結果。在相同溶解氧條件下，在微納米氣泡溶液中培養的生菜，其生長速度要快於不含微納米氣泡的溶液的生長速度，所以微納米氣泡可在細胞生理活動中發揮作用。Okamoto等[20]將微納米氣泡技術用於淨化海底汙泥，利用微納米氣泡對細菌生物活性的促進作用，來加快對汙泥中汙染物的降解，微納米氣泡不僅可提升微生物對汙泥的淨化效果，而且淨化時間還大大縮短。
3 微納米氣泡發生裝置
根據微納米氣泡產生的不同機制可將現有的微納米氣泡產生方式分為分散空氣法、溶氣釋氣法、超聲空化法、電解法、化學法等。超聲空化法是利用超聲波引起的壓力變化使液體內部產生空化，從而產生微納米氣泡。化學法則是投加化學藥品，利用其化學反應生成微納米氣泡。電解法利用水或其他物質電解產生微納米氣泡。上述3種方法一般適用於所需氣泡的數量較少、尺寸精度要求較高的領域，如高精度傳遞、船舶減阻等。在對氣泡需求量較大且直徑範圍要求不高的水處理應用中溶氣釋氣法和分散空氣法則最為常用，詳細介紹見表1。
表1 常用微納米氣泡發生裝置及其優缺點比較
Table 1 Advantages and disadvantages of common micro-nano bubble generators
傳統溶氣釋氣法[21]主要由3部分組成：即壓力溶氣系統、溶氣釋放系統、氣浮分離系統。雖被廣泛應用於氣浮技術中，但仍存在一定不足，如能源利用不合理，產生微氣泡不連續且效率較低。該方法主要有以下兩方面的演進：一是在保留原有先加壓溶氣後減壓釋氣的理念，提高氣液兩相氣壓差和降低氣液兩相界面張力。Féris L A通過投加表面活性劑可以將溶氣罐的操作壓力從3 MPa降低到2 MPa，顯著降低33%[22]。二是捨棄原有先溶氣後釋氣的理念，而是直接採取葉輪組件直接散氣產生微氣泡，或壓力溶氣技術與葉輪散氣技術相結合[23]，這一理念促使了微納米氣泡泵的出現[24]。
分散空氣法主要是通過高速旋流、水力剪切等方式製造極端條件，把空氣反覆剪切破碎，混合在水體中以產生大量的微納米氣泡。高速旋流法最先由日本提出，我國學者基於高速旋流的原理，重新設計優化了微納米裝置[25]，可大量且高效地產生氣泡，氣泡直徑範圍縮小到5 nm～20 μm。過流斷面漸縮突擴使氣液混合流體經過反覆的收縮、擴散、撞擊、反流、擠壓和旋流最終產生微納米氣泡，文丘裡管、多次穿孔、卡門渦街等類型[26-28]的微納米氣泡發生裝置均是基於上述原理。對於微多孔結構，最先出現的裝置是擴散盤[29]，壓縮氣體通過多孔板上的微孔進入水體，為了使從微孔產生的氣泡儘可能的小，擴散盤通過旋轉的方式產生剪切力使氣泡破碎至合適的尺寸。徐振華等[30]提出多孔管制造微氣泡，利用金屬微孔管內外壓差提供推動力，推動管內氣體從微孔管上的微孔流出，在管外壁形成微氣泡，再通過管外高速流過的剪切流將氣泡帶走，產生的氣泡直徑為20～70 μm。吳勝軍等[31]研究了孔徑更小、分布更均勻的陶瓷微孔膜管制造微氣泡，結果發現陶瓷微孔膜管無論從產生氣泡的性能，還是物化性能方面均優於金屬微孔膜管。近年來，一種採用SPG膜作為氣-液分散介質的微納米氣泡產生方法得到人們的關注。
雖然微納米氣泡在水體修復中的優勢明顯，現有微納米氣泡發生裝置亦可大量產生微納米氣泡，但其在水處理領域的應用中並非十分普遍。相比傳統的曝氣設備(鼓風曝氣、機械曝氣)，微納米氣泡裝置在結構構造、運行能耗、穩定性方面還存在不足，如裝置加工比較困難，曝氣頭易堵塞，部分裝置對氣液混合流體速度要求高等問題。開發出結構簡單、功耗較低、性能優良的發生裝置是微納米氣泡技術應用中亟待解決的問題。
4 結語與展望
1)微納米氣泡所表現出的特性遠遠超出了人們對傳統氣泡的認識，對氣泡的應用不再僅局限在減小氣泡直徑來增加溶氧效率，而是更廣泛地探究微納米氣泡更多的潛在特性，如強化臭氧化，促進生物活性等，強調微納米氣泡裝置與其他技術聯用，使得微納米氣泡在水處理領域的應用前景更加廣闊。
2)現有微納米氣泡發生裝置的工作原理不同，使用時對裝置選擇要有針對性，過流斷面漸縮突擴的微納米氣泡發生裝置，充氧量調節幅度不大，水量水質變化幅度較大時不宜採用，而在既需提高溶解氧又需對水體進行混合攪拌的領域具有較大優勢。
3)對於微納米氣泡發生裝置，其性能仍需優化，流體數值計算模擬可以考察流動的細微結構以及發展過程，可進一步提高對微納米氣泡發生機理的認識，有利於提出高效最優的方案，所以需加強對微納米氣泡發生裝置的數值計算模擬。
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