颗粒百科

关键词:

气泡微纳米气泡

微纳米气泡的特性及应用

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。


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。


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。


参考资料:

李恒震.微纳米气泡特性及其在地下水修复中的应用

王永磊等.微纳米气泡发生机理及其应用研究进展

邓超.微纳米气泡发生装置及其应用的研究进展

刘玉德等.微纳米气泡的特性及其在果蔬中的应用

杨丽等.微纳米气泡特性及在环境污染控制中的应用

版权免责声明:

本站系本网编辑转载,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本网联系,我们将在第一时间删除内容![声明]本站文章版权归原作者所有 内容为作者个人观点 本站只提供参考并不构成任何投资及应用建议。本站拥有对此声明的最终解释权