高效培菌葡萄糖廠家微納米氣泡特性、水處理中應用、發生裝置

　　高效培菌葡萄糖生產廠家微納米氣泡特性、水處理中應用、發生裝置。研究背景：微米氣泡(microbubble)通常是指存在于水中直徑為10~50 μm的微小氣泡，直徑<200 nm的超微小氣泡稱為納米氣泡( nanobubble) ，介于微米氣泡和納米氣泡之間的氣泡稱為微納米氣泡(micro-nano bubble)，與傳統大氣泡( coarsebubble，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于傳統大氣泡。

　　介紹了微納米氣泡的特性及其在水處理中的應用，并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，最后對微納米氣泡及其發生裝置的研究重點予以展望。

　　一 摘 要

　　微納米氣泡的出現及其不同于普通氣泡的特點，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污染控制領域的應用研究。之后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。

　　二 微納米氣泡的基本特性

　　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后者的100倍。

　　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并破裂消失，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，后者是前者的1/2000。

　　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。對于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。

　　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。

　　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，由于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污染物如苯酚等。研究發現，pH值較低時有利于羥基自由基的生成，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。

　　6.強化傳質效率

　　氣體的傳質速率很大程度上取決于氣液相的傳質面積，而氣液比表面積取決于截留在液體中的氣體體積以及氣泡直徑。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，因此氣泡直徑的大小直接影響氧的傳質效率。

　　三 微納米氣泡在水處理中的應用

　　1.微納米氣泡在水體增氧中的應用

　　污染物直接排放到附近的河流和湖泊中，微生物在分解污染物的過程中迅速消耗水體中的溶解氧(DO) ，導致含氧量迅速下降，河流發黑發臭，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發臭問題，而且不會產生二次污染。

　　洪濤等采用國產微米氣泡發生裝置，考察其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DO并有效消解底泥有機物，減少底泥厚度，實現水體的修復。

　　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。

　　微納米氣泡氣浮工藝能夠減少絮凝劑的投加量并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提高，處理后廢水的可生化性提高至0.363。此外，利用微納米氣泡治理含藻污水，將藻類俘獲在氣泡表面，實現清水與藍藻的分離。

　　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，被廣泛用于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。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，增強對污染物的分解效果。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、提高污泥的溶解率。微氣泡系統中臭氧的利用率大于99%。

　　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，并非只是DO增加的結果。

　　五 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種方法一般適用于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范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，詳見表1。

　　表1 常用微納米氣泡發生裝置及其優缺點比較

　　傳統溶氣釋氣法雖被廣泛應用于氣浮技術中，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：

　　1)在保留原有先加壓溶氣后減壓釋氣的理念，提高氣液兩相氣壓差和降低氣液兩

　　相界面張力。

　　2)舍棄原有先溶氣后釋氣的理念，而是直接采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，這一理念促使了微納米氣泡泵的出現。

　　分散空氣法可大量且高效地產生氣泡，氣泡直徑范圍縮小到5 nm~20 μm。近年來，一種采用SPG膜作為氣-液分散介質的微納米氣泡產生方法得到關注。

　　五 結束語

　　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采用，而在既需提高DO又需對水體進行混合攪拌的領域具有較大優勢。

　　3) 對于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，有利于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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