常用微納米氣泡發(fā)生裝置及其優(yōu)缺點比較
 

        微納米氣泡的出現及其不同于普通氣泡的特點，使其在水處理等領域顯現出優(yōu)良的技術優(yōu)勢和應用前景。本文重點闡述了微納米氣泡發(fā)生裝置及其發(fā)生機理，提出開發(fā)結構簡單、能耗更低、性能更優(yōu)的發(fā)生裝置是微納米氣泡技術未來研究的重點。

        根據微納米氣泡產生的不同機制可將現有的微納米氣泡產生方式分為分散空氣法、溶氣釋氣法、超聲空化法、電解法、化學法等。超聲空化法是利用超聲波引起的壓力變化使液體內部產生空化，從而產生微納米氣泡。化學法則是投加化學藥品，利用其化學反應生成微納米氣泡。電解法利用水或其他物質電解產生微納米氣泡。上述3 種方法一般適用于所需氣泡的數量較少、尺寸精度要求較高的領域，如高精度傳遞、船舶減阻等。在對氣泡需求量較大且直徑范圍要求不高的水處理應用中溶氣釋氣法和分散空氣法則很為常用，詳細介紹見下圖。

        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)。雖被廣泛應用于氣浮技術中，但仍存在一定不足，如能源利用不合理，產生微氣泡不連續(xù)且效率較低。該方法主要有以下兩方面的演進: 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生微氣泡，或壓力溶氣技術與葉輪散氣技術相結合，這一理念促使了微納米氣泡泵的出現。

        分散空氣法主要是通過高速旋流、水力剪切等方式制造極端條件，把空氣反復剪切破碎，混合在水體中以產生大量的微納米氣泡。高速旋流法很先由日本提出，我國學者基于高速旋流的原理，重新設計優(yōu)化了微納米裝置，可大量且高效地產生氣泡，氣泡直徑范圍縮小到5 nm ～ 20 μm。過流斷面漸縮突擴使氣液混合流體經過反復的收縮、擴散、撞擊、反流、擠壓和旋流很終產生微納米氣泡，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。對于微多孔結構，很先出現的裝置是擴散盤，壓縮氣體通過多孔板上的微孔進入水體，為了使從微孔產生的氣泡盡可能的小，擴散盤通過旋轉的方式產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，利用金屬微孔管內外壓差提供推動力，推動管內氣體從微孔管上的微孔流出，在管外壁形成微氣泡，再通過管外高速流過的剪切流將氣泡帶走，產生的氣泡直徑為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，結果發(fā)現陶瓷微孔膜管無論從產生氣泡的性能，還是物化性能方面均優(yōu)于金屬微孔膜管。近年來，一種采用SPG 膜作為氣－ 液分散介質的微納米氣泡產生方法得到人們的關注。

        雖然微納米氣泡在水體修復中的優(yōu)勢明顯，現有微納米氣泡發(fā)生裝置亦可大量產生微納米氣泡，但其在水處理領域的應用中并非十分普遍。相比傳統(tǒng)的曝氣設備( 鼓風曝氣、機械曝氣) ，微納米氣泡裝置在結構構造、運行能耗、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，部分裝置對氣液混合流體速度要求高等問題。開發(fā)出結構簡單、功耗較低、性能優(yōu)良的發(fā)生裝置是微納米氣泡技術應用中亟待解決的問題。

未來展望

1) 微納米氣泡所表現出的特性遠遠超出了人們對傳統(tǒng)氣泡的認識，對氣泡的應用不再僅局限在減小氣泡直徑來增加溶氧效率，而是更廣泛地探究微納米氣泡更多的潛在特性，如強化臭氧化，促進生物活性等，強調微納米氣泡裝置與其他技術聯(lián)用，使得微納米氣泡在水處理領域的應用前景更加廣闊。

2) 現有微納米氣泡發(fā)生裝置的工作原理不同，使用時對裝置選擇要有針對性，過流斷面漸縮突擴的微納米氣泡發(fā)生裝置，充氧量調節(jié)幅度不大，水量水質變化幅度較大時不宜采用，而在既需提高溶解氧又需對水體進行混合攪拌的領域具有較大優(yōu)勢。

3) 對于微納米氣泡發(fā)生裝置，其性能仍需優(yōu)化，流體數值計算模擬可以考察流動的細微結構以及發(fā)展過程，可進一步提高對微納米氣泡發(fā)生機理的認識，有利于提出高效很優(yōu)的方案，所以需加強對微納米氣泡發(fā)生裝置的數值計算模擬。