發布時間：2018-07-18 瀏覽量：1502
微納米氣泡的定義
通常我們把氣體在液體中的存在現象稱作氣泡。氣泡的形成現象，在自然界中的許多過程中都能遇到，當氣體在液體中受到剪切力的作用時就會形成大小、形狀各不相同的氣泡。目前，對氣泡的分類與定義并不是十分嚴格，按照從大到小的順序可分為厘米氣泡（CMB）、毫米氣泡（MMB）、微米氣泡（MB）、微納米氣泡（MNB）、納米氣泡（NB）。所謂的微納米氣泡，是指氣泡發生時直徑在10微米左右到數百納米之間的氣泡，這種氣泡是介于微米氣泡和納米氣泡之間，具有常規氣泡所不具備的物理與化學特性。
微納米氣泡的特性
1.比表面積大
氣泡的體積和表面積的關系可以通過公式表示。氣泡的體積公式為V=4π/3r3，氣泡的表面積公式為A=4πr2，兩公式合并可得A=3V/r，即V總=n·A=3V總/r。也就是說，在總體積不變（V不變）的情況下，氣泡總的表面積與單個氣泡的直徑成反比。根據公式，10微米的氣泡與1毫米的氣泡相比較，在一定體積下前者的比表面積理論上是后者的100倍。空氣和水的接觸面積就增加了100倍，各種反應速度也增加了100倍。
2.上升速度慢
根據斯托克斯定律，氣泡在水中的上升速度與氣泡直徑的平方成正比。氣泡直徑越小則氣泡的上升速度越慢。從氣泡上升速度與氣泡直徑的關系圖可知，氣泡直徑1mm的氣泡在水中上升的速度為6m/min，而直徑10μm的氣泡在水中的上升速度為3mm/min，后者是前者的1/2000。如果考慮到比表面積的增加，微納米氣泡的溶解能力比一般空氣增加20萬倍。
3.自身增壓溶解
水中的氣泡四周存有氣液界面，而氣液界面的存在使得氣泡會受到水的表面張力的作用。對于具有球形界面的氣泡，表面張力能壓縮氣泡內的氣體，從而使更多的氣泡內的氣體溶解到水中。根據楊-拉普拉斯方程， ?P=2σ/r,?P代表壓力上升的數值，σ代表表面張力，r代表氣泡半徑。直徑在0.1mm以上的氣泡所受壓力很小可以忽略，而直徑10μm的微小氣泡會受到0.3個大氣壓的壓力，而直徑1μm的氣泡會受高達3個大氣壓的壓力。微納米氣泡在水中的溶解是一個氣泡逐漸縮小的過程，壓力的上升會增加氣體的溶解速度，伴隨著比表面積的增加，氣泡縮小的速度會變的越來越快，從而最終溶解到水中，理論上氣泡即將消失時的所受壓力為無限大。
4.表面帶電
純水溶液是由水分子以及少量電離生成的H+和OH-組成，氣泡在水中形成的氣液界面具有容易接受H+和OH-的特點，而且通常陽離子比陰離子更容易離開氣液界面，而使界面常帶有負電荷。已經帶上電荷的表面一般傾向于吸附介質中的反離子，特別是高價的反離子，從而形成穩定的雙電層。微氣泡的表面電荷產生的電勢差常利用ζ電位來表征，ζ電位是決定氣泡界面吸附性能的重要因素。當微納米氣泡在水中收縮時，電荷離子在非常狹小的氣泡界面上得到了快速濃縮富集，表現為ζ電位的顯著增加，到氣泡破裂前在界面處可形成非常高的ζ電位值。
5.產生大量自由基
微氣泡破裂瞬間，由于氣液界面消失的劇烈變化，界面上集聚的高濃度離子將積蓄的化學能一下子釋放出來，此時可激發產生大量的羥基自由基。羥基自由基具有超高的氧化還原電位，其產生的超強氧化作用可降解水中正常條件下難以氧化分解的污染物如苯酚等，實現對水質的凈化作用。
6.傳質效率高
氣液傳質是許多化學和生化工藝的限速步驟。研究表明，氣液傳質速率和效率與氣泡直徑成反比，微氣泡直徑極小， 在傳質過程中比傳統氣泡具有明顯優勢。當氣泡直徑較小時，微氣泡界面處的表面張力對氣泡特性的影響表現得較為顯著。這時表面張力對內部氣體產生了壓縮作用，使得微氣泡在上升過程中不斷收縮并表現出自身增壓效應。從理論上看，隨著氣泡直徑的無限縮小，氣泡界面的比表面積也隨之無限增大，最終由于自身增壓效應可導致內部氣壓增大到無限大。因此，微氣泡在其體積收縮過程中，由于比表面積及內部氣壓地不斷增大，使得更多的氣體穿過氣泡界面溶解到水中，且隨著氣泡直徑的減小表面張力的作用效果也越來越明顯，最終內部壓力達到一定極限值而導致氣泡界面破裂消失。因此，微氣泡在收縮過程中的這種自身增壓特性，可使氣液界面處傳質效率得到持續增強，并且這種特性使得微氣泡即使在水體中氣體含量達到過飽和條件時，仍可繼續進行氣體的傳質過程并保持高效的傳質效率。
7.氣體溶解率高
微納米氣泡具有上升速度慢、自身增壓溶解的特點，使得微納米氣泡在緩慢的上升過程中逐步縮小成納米級，最后消減湮滅溶入水中，從而能夠大大提高氣體（空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳等）在水中的溶解度。對于普通氣泡，氣體的溶解度往往受環境壓力的影響和限制存在飽和溶解度。在標準環境下，氣體的溶解度很難達到飽和溶解度以上。而微納米氣泡由于其內部的壓力高于環境壓力，使得以大氣壓為假定條件計算的氣體過飽和溶解條件得以打破。
微納米氣泡的發生方法
旋回式氣液混合型微納米氣泡發生技術是按照流體力學計算為依據進行結構設計的發生器，在進入發生器的氣液混合流體在壓力作用下高速旋轉，并在發生器的中部形成負壓軸，利用負壓軸的吸力可將液體中混合的氣體或者外部接入的氣體集中到負壓軸上，當高速旋轉的液體和氣體在適當的壓力下從特別設計的噴射口噴出時，由于噴口處混合氣液的超高的旋轉速度與氣液密度比（1:1000）的力學上的相乘效果，在氣液接觸界面間產生高速強力的剪切及高頻率的壓力變動，形成人造極端條件，在這種條件下生成大量微米、納米級氣泡的同時具有打碎聚合分子團，形成小分子團活性水的效果，并能夠將小部分水分子電離分解，可以在微納米氣泡空間中產生活性氧、氧離子、氫離子和氫氧離子等自由基離子，尤其氫氧自由基有超高的還原電位，具有超強氧化效果可以分解水中正常條件下也難以分解的污染物，實現水質的凈化。微納米氣泡在水中的溶解率超過85%，溶解氧濃度可以達到飽和濃度以上，并且微納米氣泡是以氣泡的方式長時間（上升速度6cm/分鐘）存留在水中，可以隨著溶解氧的消耗不斷地向水中補充活性氧，為處理污水的微生物提供了充足的活性氧、強氧化性離子團，并保證了活性氧充足的反應時間，由微納米氣泡處理過的水的凈化能力遠遠高于自然條件下的自凈能力。
