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    微纳米气泡发生装置的工作原理、应用场合及发展历史

    发布人:    人气:290    发布时间:2017年11月27日

    一、微纳米气泡技术的发展历史 早在19世纪,研究者们就已经利用流体力学和物理学开始了对于毫米级气泡在液体中生成、上升过程的研究。上个世纪50年代,在化工领域开始了对气泡和液滴的研究。其后,两相流(气液、液液)特别是气液分散相的基础现象的研究成果,极大地促进了化工机械的大/规模应用。气泡的微细化是化学工业中促进物质移动,增进化学反应速度的关键技术,但在当时尚未出现能够应用于化工领域的微纳米气泡发生技术和手段。 微纳米气泡发生技术是20世纪90年代后期产生的,21世纪初在日本得到了蓬勃的发展,其制造方法包括旋回剪切、加压溶解、电化学、微孔加压、混合射流等方式,均可在一定条件下产生微纳米级的气泡。 二、微纳米气泡的定义 通常我们把气体在液体中的存在现象称作气泡。气泡的形成现象,在自然界中的许多过程中都能遇到,当气体在液体中受到剪切力的作用时就会形成大小、形状各不相同的气泡。目前,对气泡的分类与定义并不是十分严格,按照从大到小的顺序可分为厘米气泡(CMB)、毫米气泡(MMB)、微米气泡(MB)、微纳米气泡(MNB)、纳米气泡(NB)。所谓的微纳米气泡,是指气泡发生时直径在10微米左右到数百纳米之间的气泡,这种气泡是介于微米气泡和纳米气泡之间,具有常规气泡所不具备的物理与化学特性。 三、微纳米气泡的特性 1.比表面积大 气泡的体积和表面积的关系可以通过公式表示。气泡的体积公式为V=4π/3r3,气泡的表面积公式为A=4πr2,两公式合并可得A=3V/r,即V总=n•A=3V总/r。也就是说,在总体积不变(V不变)的情况下,气泡总的表面积与单个气泡的直径成反比。根据公式,10微米的气泡与1毫米的气泡相比较,在一定体积下前者的比表面积理论上是后者的100倍。空气和水的接触面积就增加了100倍,各种反应速度也增加了100倍。 2.上升速度慢 根据斯托克斯定律,气泡在水中的上升速度与气泡直径的平方成正比。气泡直径越小则气泡的上升速度越慢。从气泡上升速度与气泡直径的关系图可知,气泡直径1mm的气泡在水中上升的速度为6m/min,而直径10μm的气泡在水中的上升速度为3mm/min,后者是前者的1/2000。如果考虑到比表面积的增加,微纳米气泡的溶解能力比一般空气增加20万倍。 3.自身增压溶解 水中的气泡四周存有气液界面,而气液界面的存在使得气泡会受到水的表面张力的作用。对于具有球形界面的气泡,表面张力能压缩气泡内的气体,从而使更多的气泡内的气体溶解到水中。根据杨-拉普拉斯方程, ?P=2σ/r,?P代表压力上升的数值,σ代表表面张力,r代表气泡半径。直径在0.1mm以上的气泡所受压力很小可以忽略,而直径10μm的微小气泡会受到0.3个大气压的压力,而直径1μm的气泡会受高达3个大气压的压力。微纳米气泡在水中的溶解是一个气泡逐渐缩小的过程,压力的上升会增加气体的溶解速度,伴随着比表面积的增加,气泡缩小的速度会变的越来越快,从而最终溶解到水中,理论上气泡即将消失时的所受压力为无限大。 4.表面带电 纯水溶液是由水分子以及少量电离生成的H+和OH-组成,气泡在水中形成的气液界面具有容易接受H+和OH-的特点,而且通常阳离子比阴离子更容易离开气液界面,而使界面常带有负电荷。已经带上电荷的表面一般倾向于吸附介质中的反离子,特别是高价的反离子,从而形成稳定的双电层。微气泡的表面电荷产生的电势差常利用ζ电位来表征,ζ电位是决定气泡界面吸附性能的重要因素。当微纳米气泡在水中收缩时,电荷离子在非常狭小的气泡界面上得到了快速浓缩富集,表现为ζ电位的显著增加,到气泡破裂前在界面处可形成非常高的ζ电位值。 5.产生大量自由基 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。 6.传质效率高 气液传质是许多化学和生化工艺的限速步骤。研究表明,气液传质速率和效率与气泡直径成反比,微气泡直径极小, 在传质过程中比传统气泡具有明显优势。当气泡直径较小时,微气泡界面处的表面张力对气泡特性的影响表现得较为显著。这时表面张力对内部气体产生了压缩作用,使得微气泡在上升过程中不断收缩并表现出自身增压效应。从理论上看,随着气泡直径的无限缩小,气泡界面的比表面积也随之无限增大,最终由于自身增压效应可导致内部气压增大到无限大。因此,微气泡在其体积收缩过程中,由于比表面积及内部气压地不断增大,使得更多的气体穿过气泡界面溶解到水中,且随着气泡直径的减小表面张力的作用效果也越来越明显,最终内部压力达到一定极限值而导致气泡界面破裂消失。因此,微气泡在收缩过程中的这种自身增压特性,可使气液界面处传质效率得到持续增强,并且这种特性使得微气泡即使在水体中气体含量达到过饱和条件时,仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率。 7.气体溶解率高 微纳米气泡具有上升速度慢、自身增压溶解的特点,使得微纳米气泡在缓慢的上升过程中逐步缩小成纳米级,最后消减湮灭溶入水中,从而能够大大提高气体(空气、氧气、臭氧、二氧化碳等)在水中的溶解度。对于普通气泡,气体的溶解度往往受环境压力的影响和限制存在饱和溶解度。在标准环境下,气体的溶解度很难达到饱和溶解度以上。而微纳米气泡由于其内部的压力高于环境压力,使得以大气压为假定条件计算的气体过饱和溶解条件得以打破。 四、微纳米气泡的发生方法 旋回式气液混合型微纳米气泡发生技术是按照流体力学计算为依据进行结构设计的发生器,在进入发生器的气液混合流体在压力作用下高速旋转,并在发生器的中部形成负压轴,利用负压轴的吸力可将液体中混合的气体或者外部接入的气体集中到负压轴上,当高速旋转的液体和气体在适当的压力下从特别设计的喷射口喷出时,由于喷口处混合气液的超高的旋转速度与气液密度比(1:1000)的力学上的相乘效果,在气液接触界面间产生高速强力的剪切及高频率的压力变动,形成人造极端条件,在这种条件下生成大量微米、纳米级气泡的同时具有打碎聚合分子团,形成小分子团活性水的效果,并能够将小部分水分子电离分解,可以在微纳米气泡空间中产生活性氧、氧离子、氢离子和氢氧离子等自由基离子,尤其氢氧自由基有超高的还原电位,具有超强氧化效果可以分解水中正常条件下也难以分解的污染物,实现水质的净化。微纳米气泡在水中的溶解率超过85%,溶解氧浓度可以达到饱和浓度以上,并且微纳米气泡是以气泡的方式长时间(上升速度6cm/分钟)存留在水中,可以随着溶解氧的消耗不断地向水中补充活性氧,为处理污水的微生物提供了充足的活性氧、强氧化性离子团,并保证了活性氧充足的反应时间,由微纳米气泡处理过的水的净化能力远远高于自然条件下的自净能力。 五、微纳米气泡的应用 1.水产养殖 在工厂化渔业的养殖上,特别是未来渔业的陆基养殖技术,大多是往高密度的集约化方向发展,在这种环境下,水体中高度溶氧的控制对鱼的健康及生长来说是至关重要的一环,采用超细微泡技术以代替传统的增氧方式,将是一项革命性的创新,可以大大提高鱼的活性与产量,是养殖业走向工厂化的有力保障,并且微纳米气泡具有刺激生物生长及增强免疫力的效果。 在日本广岛的牡蛎养殖场中的试验证明,微纳米气泡可以促进牡蛎血液循环,提高生长速度,并增强免疫力,降低养殖成本。在日本的爱知万国博览会上由日本产业技术研究所展示的淡水鱼与海水鱼的混合高密度养殖实验中采用了微纳米气泡技术,结果在盐分浓度为1%的含有微纳米纯氧水的水槽中可将鲤鱼和鯛混合养殖。鯛是对盐分的变化非常敏感的海水鱼,鲤鱼是淡水鱼,如果在没有微纳米气泡存在的条件下,这两种鱼都是很难在1%的盐水中生存的。 2.无土栽培 生态农业:在水培植物生产过程中,水中溶氧量是影响生长发育速度的重要因子,溶氧充足生长就快,溶氧度低不仅生长慢,而且低至植物所需溶氧的临界值以下,还会出现缺氧烂根,所以在生产上以提高水中溶氧作为水培的主体技术,不管是循环方式栽培模式如何多样化,但最终都是为围绕溶氧的提高作为其模式的可行性保障,凡是能让水中溶氧提高的技术措施,都是增进植物生长与促进发育的增产措施。在未来的生态农业技术中,超细微气泡技术必将是不可或缺的配套新技术。 在设施园艺和旱地滴灌中,已广泛采用气泵充氧等措施来增加水中溶氧量,提高作物根际氧含量,促进根系生长,进而增加产量,并提高水分和肥料利用效率。但是传统的充氧方式效率比较低,难以使灌溉水中溶氧值迅速增加,利用微纳米气泡快速发生装置对灌溉水进行曝气处理,可以使溶氧值迅速达到超饱和状态,形成微纳米气泡水用于灌溉。微纳米气泡水不仅能够提供充足的氧气,并且其特有的带电性、氧化性、杀菌性等使其具有特殊的生物生理活性,促进植物的生长发育。 3.果蔬清洗 机能性的微纳米臭氧气泡水可以实现无害化的非热杀菌,既能保持其株型与原质,又可以达到无菌化的目的。臭氧具有强氧化性,可与蔬菜、水果中的残留有机磷农药发生反应,强氧化剂或自由基的强氧化作用可将农药分子的双键断开,苯环开环,破坏其分子结构,生成相应的酸、醇、胺或其氧化物等小分子化合物,这些小分子化合物大多无毒,易溶于水,可马上被洗涤出去。同时臭氧可杀灭表面的各种细菌和病毒,达到解毒目的。与一般的臭氧水相比,对去除鲜果、蔬菜上附着的残留农药有更显著的效果。 4.洗浴保健 微纳米气泡浴:水中如果含有大量的微纳米气泡,就会降低水的透明度,颜色像牛奶一样发白,故微纳米气泡浴又称牛奶浴。水中的气泡从零开始增大至微米级气泡而破灭,产生的低音频率具有去除污垢的效果,同时低音频率更具有刺激脑内啡的产生,令人有镇静与愉悦的感觉。此外,如果水中含有以氧气产生的超微氧气泡,当身体浸泡在这种含高氧量的水中,可以滋养皮肤、延缓老化,达到高氧疗法之功效。并且没有任何添加剂,符合现代人对环保及健康生活的要求。 5.生态修复 研究发现富含微纳米氧气气泡的水对动植物都具有促进生物活性的作用。这是由于微纳米气泡在水中存在时间长,内部承载气体释放到水中的过程较慢,因此可实现对承载气体的充分利用,提供充足的活性氧以促进水中生物的新陈代谢活性。向污染的缺氧水域中鼓入微纳米气泡时,随着气泡内溶解氧的消耗不断向水中补充活性氧,可增强水中好氧微生物、浮游生物以及水生动物的生物活性,加速其对水体及底泥中污染物的生物降解过程,实现水质净化目的。 6.污水处理 微纳米气泡是直径小于50微米的极细微气泡,微纳米气泡在水中上升速度慢、停留时间长、溶解效率高,并具备自增氧、带负电荷和富含强氧化性的自由基等特性。这些特点使得微纳米气泡在水处理上具有广泛的应用前景。 悬浮物的吸附去除 微纳米气泡不仅表面电荷产生的电位高,而且比表面积很大,因此将微纳米技术与混凝工艺联用在废水预处理中,对悬浮物和油类表现出了良好的吸附效果与高效的去除率,对COD、氨氮及总磷也具有较好的去除效果。 难降解有机污染物的强化分解 微纳米气泡破裂时释放出的羟基自由基,可氧化分解很多有机污染物,目前在难降解废水处理与污泥处理方面,已表现出了潜在的应用前景。为了促使微纳米气泡在水中能够产生更多的羟基自由基,常采用其它强氧化手段进行协同作用,如紫外线、纯氧以及臭氧等强氧化手段,以更好地发挥对废水中有机污染物的氧化分解作用。 7.船舶减阻 船舶阻力是船舶能量消耗的主要根源,如果船舶阻力降低了,主机消耗的能量就降低,船舶能源消耗自然就降低了,同时,降低船舶阻力在主机功率消耗不变的情况下,可以显著提高船舶的航行速度。船舶阻力主要包括摩擦阻力、兴波阻力、粘压阻力,其中摩擦阻力要占很多部分。现有相对成熟的降低船舶摩擦阻的技术,主要是在设计船体时,尽可能减小船体上的湿表面积并使船体表面尽量光顺。采用气泡减阻技术的船舶统称为气泡船,气泡减阻技术是把空气通入船底,在船底表面形成流体密度较低的气-水混合两相流,通过改变边界层内流体的结构,以实现降低阻力的效果,来达到节约能源的目的。对与肥大型低速船舶来说,摩擦阻力占总阻力的80%以上,因此减小摩擦阻力是很有必要的,微气泡减阻技术可以很有效的减小摩擦阻力,这在实船试验中已经很好的得到了验证,气泡减阻技术有很大的发展前景。随着关于气泡减阻研究的不断深入,气泡减阻技术得到了广泛的认同。船舶微气泡减阻研究具有重要的经济、军事价值。尤其在目前节能减排环境下,降低船舶阻力研究已经成为各国普遍关注的问题。在近几十年内,国内外的研究者们以粘性流体力学为基础,一方面通过试验来优化船型,减小船舶的形状阻力;另一方面则考虑流体的粘性系数,用粘性系数低的流体代替粘性系数高的流体,以减小船体表面摩擦阻力。船舶气泡减阻方法于1876年由劳德首次提出,他构想在船表面和水之间注入一层气体,以空气代替水来与船表面接触,以降低船体表面摩擦阻力。但是,这一构想受到当时科技水平的限制,很难实现。随着科技水平的不断提升,国内外许多学者对气泡减阻技术进行了大量的理论和实验研究,结果大部分表明运用微纳米气泡减阻技术来降低摩擦阻力非常显著。
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