一、微纳米气泡的产生方式
19世纪中叶,科研人员利用物理学与流体力学,对毫米级气泡在液体中生成、上升过程开展研究。到20世纪50年代,特别是气液分散相的基础现象的研究成果,极大地促进其在化工机械领域的大规模应用。微纳米气泡发生技术是20世纪90年代后期产生。21世纪在日本得到了蓬勃的发展。
通常微纳米气泡的产生有以下几种方式:
1. 超声波产生微纳米气泡。主要基于超声波的空化原理。
2. 化学反应产生微纳米气泡。通过使用化学物质发生化学反应来产生微纳米气泡。
3. 电解法。通过电极电解水的方式产生氢气和氧气来获得微纳米气泡。
4. 溶解释气法。主要通过加压,使空气溶解在水里,然后减压释气,空气重新从水里释放出来,产生大量的微纳米气泡。
5. 分解空气法。主要通过高速剪切、搅拌等方式把空气反复剪切、破碎,混合在水体中可以稳定的产生大量的微纳米气泡。
纳美智创采用溶解释气法原理制造出的微纳米气泡发生器,空气、液混合比可达10%,微纳米气泡直径可达5 μm到30 μm,其产品结构简洁,操作方便,自动化程度高,具有远程和监控功能。
二、微纳米气泡的定义
通常对气泡的分类与定义从大到小的顺序大致可分为厘米气泡(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:气泡的体积V=4π/3r³,气泡的表面积A=4πr²,两公式合并可得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。所以10微米的气泡与1毫米的气泡相比较,空气和水的接触面积就增加了100倍,各种反应速度也相应增加了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1mm的气泡在水中上升速度为6m/min,而直径10微米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,而气液界面的大小使得气泡会受到水的表面张力作用。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。
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,而通常阳离子比阴离子更易离开气液界面,而使界面常带有负电荷。
5. 产生大量自由基
微气泡在运动过程中破裂瞬间,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自由基,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。
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、氢气、氮气、二氧化碳等)在水中的溶解度。
四、微纳米气泡的应用
1. 河道处理
2. 水产养殖
3. 生态农业
4. 工业废水处理
5. 洗浴保健
6. 垃圾除臭