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微纳米气泡技术的原理

发布人:杭州桂冠环保    人气:533    发布时间:2017年8月16日

     微纳米气泡技术不只是一个技术,也存在理论的问题,过去许多年理论上认为纳米气泡不可能在溶液中长时间存在,因为按照传统理论,气泡体积越小,因为表面张力造成的内部压力越大,这种压力计算值可以达到非常巨大,而根据气体溶解亨利定律,压力越大溶解量越大,溶解速度越快,因此随着气泡体积缩小,气泡的寿命会指数下降,但是实际情况并不是这样,纳米气泡能在溶液中长时间存在,给这种技术的应用提供了重要支持。但是气泡长时间存在的理论解释仍然不完善。
    纳米气泡本质上是一种高效气体溶解技术,不仅能提高溶解速度,也能有效提高气体的表观溶解度。这正是气体生物学效应的重要基础。因此纳米气泡技术与氢气生物学简直就是珠联璧合。从事氢气医学技术开发的学者必须了解和掌握这种概念和技术。
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。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(不是本号观点)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。

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