微纳米气泡及水质应用：纳米气泡的存在机理和理化特性

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液体及固液接触面之间普遍存在大小不同的气泡，其在生产实际应用中具有重要的作用。按照气泡直径不同可分为大气泡、微米气泡、微纳米气泡、纳米气泡，其中直径在0.1～50μm的微小气泡称为微纳米气泡。微纳米气泡的相关研究已经成为近些年研究的热点，有关纳米气泡的存在机理和物理化学特性也是研究的热点。

微纳米气泡与普通气泡在外部形态上最大的差别在于微纳米气泡具有自我收缩并最终在水下消失或在某种条件下形成稳定存在的纳米气泡的趋势，而普通气泡在水中会迅速上升至水面处破裂。这种差异源于微纳米气泡自身的物理、化学特性。

(微纳米气泡与普通气泡的行为特征差异)

1.微纳米气泡的特性

存在时间长

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。此外，水分子一直处于流动状态，微纳米气泡在水中上升的同时，还受到水分子运动的影响而左右运动，呈现曲线上升状态。

(微纳米气泡与普通气泡在水中上升状态)

气液传质率高

液体中气体的体积和直径共同决定了气液的比表面积，气液的比表面积又决定了气体的传质效率。通过气液界面的表面张力理论能够发现，当气泡的直径变小时，其表面张力对其的影响将会变得越明显。微纳米气泡相对于普通气泡拥有更小的直径，因此它受到其表面张力的影响更大并且在促使其收缩，同时逐渐增大气泡的内部压力。当微纳米气泡的收缩达到某一极限值时，气泡内部的气压将会趋于无限大，这种自增压效应会使微纳米气泡溶于水或者在水面处破裂消失。通过上述过程，可以使得水中的气体溶解率达到一种过饱和的状态，实现了气液传质，同时产生较好的传质效率。

界面电位高

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。当微纳米气泡在水中发生收缩时，存在于气泡表面上的电荷离子，浓度将会迅速富集，使得微纳米气泡的界面电位迅速升高；微纳米气泡破裂之前，在其界面位置会产生很高的界面电位。

(微纳米气泡界面双电层示意图)

释放自由基

微气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物如苯酚等，实现对水质的净化作用。

气浮效果好

气体的气浮功能是指将气泡通入混有其他相的液体中，利用气泡具有的吸附性使其吸附在其他相表面，从而增大其他相在液体中的浮力，使其浮在液体表面，实现与液体分离的目的。因此气泡的吸附性能越好，则气浮效果越好，而气泡的吸附性能取决于其直径的大小。气泡的直径越小则其表面的电位越高，因此更容易吸附于液体中其他相的表面，使其与液体分离。

2微纳米气泡的产生原理

气液二相流体混合/剪断方式

该方式通过水泵将气体（大气泡）卷入涡流水流，然后使涡流崩溃来压碎气泡，再通过出口喷嘴以微米气泡形式放出。

(气液二相流体混合/剪断方式)

加压减压方式

加压减压方式是指通过加压的方式在水体中形成过饱和状态。之后通过减压的方式释放溶解的气体，形成微纳米气泡。

(加压减压方式)

射流曝气方式

该方式主要通过射流曝气器生成微纳米气泡。射流曝气器的喷嘴直径小，水流速度大，水流在进入气室后可形成局部真空。此时，气体可通过吸气管进入气室，与水流混合。通过混合管和扩散管后，在水中形成微纳米气泡。

(典型射流曝气器构造)

细孔方式

该方式是将压缩空气通过微孔板，利用微孔将气体切割成细小气泡。

(细孔方式)

超声波方式

该方式通过超声空化的方式，使得液体由于压力的突然变化而产生气泡的爆发和溃陷，在水体中形成气泡。

(超声波方式产生气泡)

加入界面活性剂的旋转切割法

在水体中添加界面活性剂，使用高速旋转（可达4000rpm）的圆盘在水中旋转，形成微纳米气泡。

(旋转切割法)

3微纳米气泡的应用

在水处理方面的应用

微纳米气泡具有优秀的增氧能力、良好的气浮效果和强氧化性，可用于处理水中的有机物、氮磷以及有毒有害物质等，进而有效地改善水体水质。在水体增氧、强化臭氧化、气浮、增强生物活性等方面具有广泛应用。

在种植业方面的应用

微纳米气泡技术广泛地应用于养殖、水稻、无土栽培、促进种子发芽及增强水活性等农业领域

在医学方面的应用

在医学方面，利用氧气微纳米气泡可以在给机体供氧的同时将药物直接送达病变部位，从而实现对病变部位直接治疗，减少手术的次数，使机体快速康复。

在船舶运动减阻中的应用

通过在船体表面覆盖一层微纳气泡，可以变船体表面与水之间的摩擦为气体与水的摩擦阻，从而减小船舶航行阻力，提高航行速度。

在精密化学反应中的应用

微气泡在精密化学反应中主要首先通过微气泡包裹或隔离反应原料，继而通入微管道或微容腔内使被气泡隔离的反应物相接触，在催化剂或超声波作用下发生化学反应。通过控制气泡的大小则能高精度的控制参与反应的原料多少，从而精密的控制化学反应的进程。

4微纳米气泡的深层清洗技术

借助外部物理干预和内部流体剪切作用，将微米气泡继续破碎成大量纳米级气泡，并将微米级与纳米级气泡有效分离，形成高浓度纳米气泡液。纳米气泡可以轻松进入设备零部件表面细微凹陷和沟槽中，实现传统清洗难以达到的深层清洗效果。纳米气泡表面带有微弱的负电荷，可以更加牢固的粘附污染物。

5微纳米气泡催化氧化处理难降解有机物

利用局部的水力剪切强制高浓度空气微纳米气泡爆破产生大量羟基自由基，以此为基础开发利用微纳米气泡爆破的高级氧化技术，并制备固相催化剂大大提高了该技术处理难降解有机污染物的速率。

6微纳米气泡曝气的富营养化水体修复技术

将微纳米气泡除藻技术与水生植物种植技术耦合来修复富营养化水体，利用微纳米气泡的水力爆破灭活藻类，并对水体底部进行高效富氧，有利于根系微生物在根际的聚居，强化根际效应，从而对稳定水体的立体生态系统起到积极的作用。

目前工业微纳米气泡发生技术主要瓶颈在于整个发生过程过于依赖多相流泵，故能耗高、效率极低、水温温升大，且20m3/h以上大流量多相流泵全部依赖进口，价格昂贵。

7小结

目前，微纳米气泡已经得到了广泛的关注和研究，溶气析出气泡、引气制造气泡、电解析出气泡，超声波、化学反应、微管道、高温等微纳米气泡发生原理等也得到研究和发展。微纳米气泡凭借其独有的特性在化工、环境和医学、农业等方面具有良好的应用前景。

(本文来源： 粉体网、微纳米气泡实验室。修编：西南渔业网)

(备注：本文内容仅供参考和交流！内容和图片大多来源于网络资料，如有异见告之即改或删)

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