微纳米气泡技术

2021-06-22 09:30:07 31

微纳米气泡技术

 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=n·A=3V/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+OH-组成,气泡在水中形成的气液界面具有容易接受H+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。

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