納米氣泡技術(shù)不只是一個技術(shù),也存在理論的問題,過去許多年理論上認(rèn)為納米氣泡不可能在溶液中長時間存在,因為按照傳統(tǒng)理論,氣泡體積越小,因為表面張力造成的內(nèi)部壓力越大,這種壓力計算值可以達(dá)到非常巨大,而根據(jù)氣體溶解亨利定律,壓力越大溶解量越大,溶解速度越快,因此隨著氣泡體積縮小,氣泡的壽命會指數(shù)下降,但是實(shí)際情況并不是這樣,納米氣泡能在溶液中長時間存在,給這種技術(shù)的應(yīng)用提供了重要支持。但是氣泡長時間存在的理論解釋仍然不完善。
納米氣泡本質(zhì)上是一種高效氣體溶解技術(shù),不僅能提高溶解速度,也能有效提高氣體的表觀溶解度。這正是氣體生物學(xué)效應(yīng)的重要基礎(chǔ)。
一、微納米氣泡技術(shù)的發(fā)展歷史
早在19世紀(jì),研究者們就已經(jīng)利用流體力學(xué)和物理學(xué)開始了對于毫米級氣泡在液體中生成、上升過程的研究。上個世紀(jì)50年代,在化工領(lǐng)域開始了對氣泡和液滴的研究。其后,兩相流(氣液、液液)特別是氣液分散相的基礎(chǔ)現(xiàn)象的研究成果,極大地促進(jìn)了化工機(jī)械的大/規(guī)模應(yīng)用。氣泡的微細(xì)化是化學(xué)工業(yè)中促進(jìn)物質(zhì)移動,增進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度的關(guān)鍵技術(shù),但在當(dāng)時尚未出現(xiàn)能夠應(yīng)用于化工領(lǐng)域的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)和手段。
微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是20世紀(jì)90年代后期產(chǎn)生的,21世紀(jì)初在日本得到了蓬勃的發(fā)展,其制造方法包括旋回剪切、加壓溶解、電化學(xué)、微孔加壓、混合射流等方式,均可在一定條件下產(chǎn)生微納米級的氣泡。
二、微納米氣泡的定義
通常我們把氣體在液體中的存在現(xiàn)象稱作氣泡。氣泡的形成現(xiàn)象,在自然界中的許多過程中都能遇到,當(dāng)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(yán)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(fā)生時直徑在10微米左右到數(shù)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(guī)氣泡所不具備的物理與化學(xué)特性。
三、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(guān)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(jù)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(yīng)速度也增加了100倍。
2.上升速度慢
根據(jù)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(guān)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(nèi)的氣體,從而使更多的氣泡內(nèi)的氣體溶解到水中。
根據(jù)楊-拉普拉斯方程, ?P=2σ/r,?P代表壓力上升的數(shù)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(dá)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(diǎn),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(fù)電荷。已經(jīng)帶上電荷的表面傾向于吸附介質(zhì)中的反離子,特別是高價的反離子,從而形成穩(wěn)定的雙電層。微氣泡的表面電荷產(chǎn)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(dāng)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(xiàn)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(chǎn)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(xué)能一下子釋放出來,此時可激發(fā)產(chǎn)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(chǎn)生的超強(qiáng)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(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的凈化作用。
6.傳質(zhì)效率高
氣液傳質(zhì)是許多化學(xué)和生化工藝的限速步驟。研究表明,氣液傳質(zhì)速率和效率與氣泡直徑成反比,微氣泡直徑極小,在傳質(zhì)過程中比傳統(tǒng)氣泡具有明顯優(yōu)勢。當(dāng)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(xiàn)得較為顯著。這時表面張力對內(nèi)部氣體產(chǎn)生了壓縮作用,使得微氣泡在上升過程中不斷收縮并表現(xiàn)出自身增壓效應(yīng)。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(yīng)可導(dǎo)致內(nèi)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(nèi)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(nèi)部壓力達(dá)到一定極限值而導(dǎo)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(zhì)效率得到持續(xù)增強(qiáng),并且這種特性使得微氣泡即使在水體中氣體含量達(dá)到過飽和條件時,仍可繼續(xù)進(jìn)行氣體的傳質(zhì)過程并保持高效的傳質(zhì)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(diǎn),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(huán)境壓力的影響和限制存在飽和溶解度。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下,氣體的溶解度很難達(dá)到飽和溶解度以上。而微納米氣泡由于其內(nèi)部的壓力高于環(huán)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。
四、微納米氣泡的應(yīng)用
1.水產(chǎn)養(yǎng)殖
在工廠化漁業(yè)的養(yǎng)殖上,特別是未來漁業(yè)的陸基養(yǎng)殖技術(shù),大多是往高密度的集約化方向發(fā)展,在這種環(huán)境下,水體中高度溶氧的控制對魚的健康及生長來說是至關(guān)重要的一環(huán),采用超細(xì)微泡技術(shù)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的增氧方式,將是一項革命性的創(chuàng)新,可以大大提高魚的活性與產(chǎn)量,是養(yǎng)殖業(yè)走向工廠化的有力保障,并且微納米氣泡具有刺激生物生長及增強(qiáng)免疫力的效果。
在日本廣島的牡蠣養(yǎng)殖場中的試驗證明,微納米氣泡可以促進(jìn)牡蠣血液循環(huán),提高生長速度,并增強(qiáng)免疫力,降低養(yǎng)殖成本。在日本的愛知萬國博覽會上由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所展示的淡水魚與海水魚的混合高密度養(yǎng)殖實(shí)驗中采用了微納米氣泡技術(shù),結(jié)果在鹽分濃度為1%的含有微納米純氧水的水槽中可將鯉魚和鯛混合養(yǎng)殖。鯛是對鹽分的變化非常敏感的海水魚,鯉魚是淡水魚,如果在沒有微納米氣泡存在的條件下,這兩種魚都是很難在1%的鹽水中生存的。
2.洗浴保健
微納米氣泡浴:水中如果含有大量的微納米氣泡,就會降低水的透明度,顏色像牛奶一樣發(fā)白,故微納米氣泡浴又稱牛奶浴。水中的氣泡從零開始增大至微米級氣泡而破滅,產(chǎn)生的低音頻率具有去除污垢的效果,同時低音頻率更具有刺激腦內(nèi)啡的產(chǎn)生,令人有鎮(zhèn)靜與愉悅的感覺。此外,如果水中含有以氧氣產(chǎn)生的超微氧氣泡,當(dāng)身體浸泡在這種含高氧量的水中,可以滋養(yǎng)皮膚、延緩老化,達(dá)到高氧療法之功效。并且沒有任何添加劑,符合現(xiàn)代人對環(huán)保及健康生活的要求。
3.生態(tài)修復(fù)
研究發(fā)現(xiàn)富含微納米氧氣氣泡的水對動植物都具有促進(jìn)生物活性的作用。這是由于微納米氣泡在水中存在時間長,內(nèi)部承載氣體釋放到水中的過程較慢,因此可實(shí)現(xiàn)對承載氣體的充分利用,提供充足的活性氧以促進(jìn)水中生物的新陳代謝活性。向污染的缺氧水域中鼓入微納米氣泡時,隨著氣泡內(nèi)溶解氧的消耗不斷向水中補(bǔ)充活性氧,可增強(qiáng)水中好氧微生物、浮游生物以及水生動物的生物活性,加速其對水體及底泥中污染物的生物降解過程,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目的。
4.污水處理
微納米氣泡是直徑小于50微米的極細(xì)微氣泡,微納米氣泡在水中上升速度慢、停留時間長、溶解效率高,并具備自增氧、帶負(fù)電荷和富含強(qiáng)氧化性的自由基等特性。這些特點(diǎn)使得微納米氣泡在水處理上具有廣泛的應(yīng)用前景。
懸浮物的吸附去除。微納米氣泡不僅表面電荷產(chǎn)生的電位高,而且比表面積很大,因此將微納米技術(shù)與混凝工藝聯(lián)用在廢水預(yù)處理中,對懸浮物和油類表現(xiàn)出了良好的吸附效果與高效的去除率,對COD、氨氮及總磷也具有較好的去除效果。
難降解有機(jī)污染物的強(qiáng)化分解。微納米氣泡破裂時釋放出的羥基自由基,可氧化分解很多有機(jī)污染物,目前在難降解廢水處理與污泥處理方面,已表現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用前景。為了促使微納米氣泡在水中能夠產(chǎn)生更多的羥基自由基,常采用其它強(qiáng)氧化手段進(jìn)行協(xié)同作用,如紫外線、純氧以及臭氧等強(qiáng)氧化手段,以更好地發(fā)揮對廢水中有機(jī)污染物的氧化分解作用。