常用微納米氣泡發(fā)生裝置及其優(yōu)缺點(diǎn)比較

微納米氣泡的出現(xiàn)及其不同于普通氣泡的特點(diǎn)，使其在水處理等領(lǐng)域顯現(xiàn)出優(yōu)良的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)闡述了微納米氣泡發(fā)生裝置及其發(fā)生機(jī)理，提出開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗更低、性能更優(yōu)的發(fā)生裝置是微納米氣泡技術(shù)未來(lái)研究的重點(diǎn)。

根據(jù)微納米氣泡產(chǎn)生的不同機(jī)制可將現(xiàn)有的微納米氣泡產(chǎn)生方式分為分散空氣法、溶氣釋氣法、超聲空化法、電解法、化學(xué)法等。超聲空化法是利用超聲波引起的壓力變化使液體內(nèi)部產(chǎn)生空化，從而產(chǎn)生微納米氣泡?；瘜W(xué)法則是投加化學(xué)藥品，利用其化學(xué)反應(yīng)生成微納米氣泡。電解法利用水或其他物質(zhì)電解產(chǎn)生微納米氣泡。上述3 種方法一般適用于所需氣泡的數(shù)量較少、尺寸精度要求較高的領(lǐng)域，如高精度傳遞、船舶減阻等。在對(duì)氣泡需求量較大且直徑范圍要求不高的水處理應(yīng)用中溶氣釋氣法和分散空氣法則常用，詳細(xì)介紹見下圖。

傳統(tǒng)溶氣釋氣法主要由3 部分組成: 即壓力溶氣系統(tǒng)、溶氣釋放系統(tǒng)、氣浮分離系統(tǒng)。雖被廣泛應(yīng)用于氣浮技術(shù)中，但仍存在一定不足，如能源利用不合理，產(chǎn)生微氣泡不連續(xù)且效率較低。該方法主要有以下兩方面的演進(jìn): 一是在保留原有先加壓溶氣后減壓釋氣的理念，提高氣液兩相氣壓差和降低氣液兩相界面張力。Féris L A 通過(guò)投加表面活性劑可以將溶氣罐的操作壓力從3 MPa 降低到2 MPa，顯著降低33%。二是舍棄原有先溶氣后釋氣的理念，而是直接采取葉輪組件直接散氣產(chǎn)生微氣泡，或壓力溶氣技術(shù)與葉輪散氣技術(shù)相結(jié)合，這一理念促使了微納米氣泡泵的出現(xiàn)。

分散空氣法主要是通過(guò)高速旋流、水力剪切等方式制造條件，把空氣反復(fù)剪切破碎，混合在水體中以產(chǎn)生大量的微納米氣泡。高速旋流法由日本提出，我國(guó)學(xué)者基于高速旋流的原理，重新設(shè)計(jì)優(yōu)化了微納米裝置，可大量且高效地產(chǎn)生氣泡，氣泡直徑范圍縮小到5 nm ～ 20 μm。過(guò)流斷面漸縮突擴(kuò)使氣液混合流體經(jīng)過(guò)反復(fù)的收縮、擴(kuò)散、撞擊、反流、擠壓和旋流最終產(chǎn)生微納米氣泡，文丘里管、多次穿孔、卡門渦街等類型的微納米氣泡發(fā)生裝置均是基于上述原理。對(duì)于微多孔結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)的裝置是擴(kuò)散盤，壓縮氣體通過(guò)多孔板上的微孔進(jìn)入水體，為了使從微孔產(chǎn)生的氣泡盡可能的小，擴(kuò)散盤通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式產(chǎn)生剪切力使氣泡破碎至合適的尺寸。徐振華等提出多孔管制造微氣泡，利用金屬微孔管內(nèi)外壓差提供推動(dòng)力，推動(dòng)管內(nèi)氣體從微孔管上的微孔流出，在管外壁形成微氣泡，再通過(guò)管外高速流過(guò)的剪切流將氣泡帶走，產(chǎn)生的氣泡直徑為20 ～70 μm。吳勝軍等研究了孔徑更小、分布更均勻的陶瓷微孔膜管制造微氣泡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陶瓷微孔膜管無(wú)論從產(chǎn)生氣泡的性能，還是物化性能方面均優(yōu)于金屬微孔膜管。近年來(lái)，一種采用SPG 膜作為氣－ 液分散介質(zhì)的微納米氣泡產(chǎn)生方法得到人們的關(guān)注。

雖然微納米氣泡在水體修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)明顯，現(xiàn)有微納米氣泡發(fā)生裝置亦可大量產(chǎn)生微納米氣泡，但其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用中并非十分普遍。相比傳統(tǒng)的曝氣設(shè)備( 鼓風(fēng)曝氣、機(jī)械曝氣) ，微納米氣泡裝置在結(jié)構(gòu)構(gòu)造、運(yùn)行能耗、穩(wěn)定性方面還存在不足，如裝置加工比較困難，曝氣頭易堵塞，部分裝置對(duì)氣液混合流體速度要求高等問(wèn)題。開發(fā)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗較低、性能優(yōu)良的發(fā)生裝置是微納米氣泡技術(shù)應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題。

未來(lái)展望

1) 微納米氣泡所表現(xiàn)出的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們對(duì)傳統(tǒng)氣泡的認(rèn)識(shí)，對(duì)氣泡的應(yīng)用不再僅局限在減小氣泡直徑來(lái)增加溶氧效率，而是更廣泛地探究微納米氣泡更多的潛在特性，如強(qiáng)化臭氧化，促進(jìn)生物活性等，強(qiáng)調(diào)微納米氣泡裝置與其他技術(shù)聯(lián)用，使得微納米氣泡在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加廣闊。

2) 現(xiàn)有微納米氣泡發(fā)生裝置的工作原理不同，使用時(shí)對(duì)裝置選擇要有針對(duì)性，過(guò)流斷面漸縮突擴(kuò)的微納米氣泡發(fā)生裝置，充氧量調(diào)節(jié)幅度不大，水量水質(zhì)變化幅度較大時(shí)不宜采用，而在既需提高溶解氧又需對(duì)水體進(jìn)行混合攪拌的領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)。

3) 對(duì)于微納米氣泡發(fā)生裝置，其性能仍需優(yōu)化，流體數(shù)值計(jì)算模擬可以考察流動(dòng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)以及發(fā)展過(guò)程，可進(jìn)一步提高對(duì)微納米氣泡發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)，有利于提出高效的方案，所以需加強(qiáng)對(duì)微納米氣泡發(fā)生裝置的數(shù)值計(jì)算模擬。