微納米氣泡技術(shù)在噴涂廢氣治理中的應(yīng)用

彭 芬

（1.航天凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長沙 410100；2.工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境技術(shù)湖南省重點實驗室，長沙 410100）

微納米氣泡技術(shù)在噴涂廢氣治理中的應(yīng)用

彭 芬1,2

（1.航天凱天環(huán)保科技股份有限公司，長沙 410100；2.工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境技術(shù)湖南省重點實驗室，長沙 410100）

簡要介紹了微納米氣泡技術(shù)的工作原理及特性，通過試驗研究了該技術(shù)在噴涂廢氣治理中的應(yīng)用情況。試驗主要分為漆霧捕捉及廢氣凈化兩部分，結(jié)果表明微納米氣泡技術(shù)對漆霧的捕捉效果較佳，對廢氣的凈化效率約為60%，可用作噴涂廢氣的前處理技術(shù)。

微納米氣泡；噴涂；廢氣治理；應(yīng)用

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻，近幾年嚴(yán)重的霧霾天氣讓社會意識到廢氣治理的重要性。揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）不僅危害生態(tài)系統(tǒng)，還是產(chǎn)生霧霾的“催化劑”，針對工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的VOCs進(jìn)行治理凈化，提高和改善作業(yè)人員的工作環(huán)境，維護(hù)人體的身心健康，是一件關(guān)系國計民生的大事。

根據(jù)《環(huán)境科學(xué)》（2013年第34卷第12期）統(tǒng)計表明，產(chǎn)生VOCs的行業(yè)眾多，其中，涂裝工業(yè)占一半以上。油漆經(jīng)過噴槍霧化成微粒，只有40%～70%的油漆均勻涂覆于工件上，剩余的過噴漆量往往在噴漆過程中揮發(fā)散落在噴漆室內(nèi)，形成漆霧。噴涂廢氣的治理主要包括漆霧及VOCs的治理，而微納米氣泡具有凈化漆霧和廢氣的雙重功能，本文就微納米氣泡技術(shù)對漆霧和廢氣的凈化效果進(jìn)行了研究。

2 工作原理及特性

2.1 工作原理

微納米氣泡技術(shù)的工作原理是使水與空氣高度相溶混合，超聲波空化彌散釋放出高密度的、均勻的超微米氣泡，形成“乳白色”的氣液混合體。微納米氣泡通常是指直徑在50μm以下納米級的氣泡[1]，它使水分子的原子團(tuán)變得更小，超氧納米氣泡中的氧容易溶入水分子原子團(tuán)的間隙中，同時氧分子打破了水的界面使超微細(xì)氣泡更容易溶入水中，而水分子團(tuán)始終進(jìn)行著布朗運動，不斷地進(jìn)行不規(guī)則沖撞。同時，超氧微納米氣泡也沉降、破裂。大量超氧微納米氣泡在水中溶解、破裂時，產(chǎn)生約5500℃的瞬間高溫，同時伴隨產(chǎn)生約每小時400公里的超聲波，并產(chǎn)生大量的氧負(fù)離子和羥基自由基等，進(jìn)而達(dá)到去除污染物的目的。

根據(jù)亨利定律可知，氣體壓力與溶解度之間關(guān)系式如下：

由上式分析可知，氣體的壓力越大氣體的溶解度就越大，所以超微納米氣泡的溶解度比一般的氣泡更好，也就是說氣泡越小，表面曲率急速增加，內(nèi)部壓力也同時急速增加，即所謂的強(qiáng)力加壓效果。

根據(jù)拉布拉斯定律可知，表面張力之氣泡內(nèi)徑及氣泡內(nèi)壓之間的關(guān)系式如下：

由上式分析可知，隨著表面張力的逐漸增大，氣泡內(nèi)壓也逐漸增大。由于水中超微納米氣泡漸漸變小，內(nèi)部壓力持續(xù)增加，最后在約4000大氣壓力下（微納米氣泡直徑在1nm以下）氣泡爆裂（即所謂的壓壞），瞬間產(chǎn)生超聲波及負(fù)氧離子等。

2.2 特性

微納米氣泡不僅體積比普通氣泡要小很多，且具有不同于普通氣泡的一些特殊性質(zhì)。

（1）存在時間長

普通氣泡在水中產(chǎn)生后，會迅速上升到水面并破裂消失，氣泡存在的時間短，而微納米氣泡一經(jīng)產(chǎn)生，在水中上升的速度較慢，從產(chǎn)生到破裂通常需要幾十秒甚至幾分鐘，而且在上升的過程中，體積會不斷收縮并最終在水中溶解消失，如圖1所示。對于微納米氣泡來說，體積越小的氣泡在水中的上升速度就越慢。

圖1 普通氣泡、微納米氣泡與納米氣泡的區(qū)別

（2）傳質(zhì)效率高

研究表明，氣液傳質(zhì)速率和效率與氣泡直徑成反比[2～4]。這時表面張力對內(nèi)部氣體產(chǎn)生了壓縮作用，使得微納米氣泡在上升過程中不斷收縮并表現(xiàn)出自身增壓效應(yīng)。微納米氣泡在收縮過程中的自身增壓特性，可使氣液界面保持高效的傳質(zhì)效率。

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（3）釋放自由基

微納米氣泡爆破時產(chǎn)生的局部高溫高壓及氣液界面上電荷的高濃度富集促使大量的羥基自由基產(chǎn)生。羥基自由基具有超高的氧化還原電位，其產(chǎn)生的超強(qiáng)氧化作用可降解正常條件下難以氧化分解的污染物。研究結(jié)果證實，使用臭氧作為微納米氣泡承載氣體更容易產(chǎn)生大量羥基自由基，將難降解的有機(jī)物氧化為無機(jī)物[5、6]。

（4）無二次污染

微納米氣泡技術(shù)無需任何添加劑，只用普通的自來水即可，無二次污染。

3 在噴涂廢氣治理中的應(yīng)用

微納米氣泡具有氣液接觸面積大、氣體傳質(zhì)速率快、液體中停留時間較長、釋放大量羥基自由基及無二次污染等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中廢水、廢氣等的治理[7、8]。

3.1 漆霧捕捉

微納米氣泡不僅表面電荷產(chǎn)生的ζ電位高，且比表面積大，因此微納米氣泡技術(shù)對漆霧表現(xiàn)出了良好的吸附效果與高效的去除率，將微納米氣泡技術(shù)與改性絮凝工藝聯(lián)用，對漆霧的捕捉效果更佳。

3.2 廢氣凈化

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，目前已在環(huán)境保護(hù)多個領(lǐng)域表現(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)揮對有機(jī)污染物的氧化分解作用。

4 試驗介紹

針對微納米氣泡技術(shù)在噴涂廢氣治理中的應(yīng)用進(jìn)行試驗，微納米氣泡凈化裝置詳見圖2。試驗主要分為兩部分：一是針對漆霧的捕捉，二是針對廢氣的凈化。漆霧的捕捉效果主要根據(jù)整體視覺觀察以及用手感覺消粘情況，廢氣的凈化效率根據(jù)便捷式VOCs檢測儀測得數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

圖2 微納米氣泡凈化裝置

該試驗屬于簡易試驗，采取直接將噴槍置于微納米氣泡進(jìn)風(fēng)口正前方一定距離。首先，微納米氣泡發(fā)生裝置不開啟，將噴淋打開（圖3左圖），接著將噴槍打開，以一定的噴射速度和噴量進(jìn)行噴漆（圖3右圖），待廢氣濃度穩(wěn)定后，用便攜式廢氣濃度檢測儀測得廢氣凈化前的初始數(shù)據(jù)，再打開微納米氣泡發(fā)生器，一段時間后，測得凈化后的數(shù)據(jù)，試驗后觀察漆霧捕捉情況如圖4，凈化前后的廢氣濃度數(shù)據(jù)見下表。

圖3 微納米氣泡噴涂廢氣凈化試驗

圖4 微納米氣泡漆霧捕捉效果

廢氣凈化前后數(shù)據(jù)表

從試驗圖片可看出，漆霧捕捉效果較佳，成團(tuán)塊聚集，打撈后即可將漆霧予以凈化。從得到的試驗數(shù)據(jù)可知，微納米氣泡技術(shù)對噴涂廢氣有一定的凈化效果，但效率不是很高，在60%左右。整體來說，微納米氣泡技術(shù)可作為噴涂廢氣漆霧捕捉和廢氣初步凈化的處理技術(shù)。

5 展望

微納米氣泡技術(shù)具有無二次污染、強(qiáng)化凈化效果、運行費用低等優(yōu)點，是一種新型的環(huán)境友好型處理技術(shù)。

目前，微納米氣泡尚存在一些待研究及改進(jìn)之處：一是微納米氣泡技術(shù)在新領(lǐng)域中的應(yīng)用還受到理論研究以及微納米氣泡產(chǎn)生方法的限制，特別是要加強(qiáng)微納米氣泡產(chǎn)生原理方法的研究；二是微納米氣泡技術(shù)在廢氣治理領(lǐng)域的應(yīng)用效果有限，需進(jìn)一步強(qiáng)化凈化效果，如與其他凈化技術(shù)聯(lián)用等；三是微納米氣泡的發(fā)生裝置普遍能耗高、價格貴，限制了對微納米氣泡技術(shù)的應(yīng)用。因此，開發(fā)出低成本、低能耗、性能優(yōu)越、適于推廣的實用型微納米氣泡發(fā)生裝置也是目前研究的方向。

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Application of M icro/Nano Bubbles Technology in Waste Gas Treatment of Spraying and Smearing

PENG Fen

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1006-5377（2017）05-0035-03