氣浮工藝中微納米氣泡應(yīng)用特性與檢測(cè)技術(shù)研究

王永磊 ，劉 威 ，田立平 ，亓 華 ，杜振齊 ，周安然

（1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100；2.山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，山東濟(jì)南250021；3.濰坊市市政公用事業(yè)服務(wù)中心，山東濰坊261041；4.新泰市自來(lái)水有限公司，山東新泰271200）

微納米氣泡氣浮是一種高效的氣-液相分離技術(shù)〔1〕。在水處理領(lǐng)域，氣浮技術(shù)的出現(xiàn)使高藻微污染水及低溫低濁水的處理效果得到明顯改善〔2〕。應(yīng)用微納米氣泡技術(shù)能夠減少氣浮工藝的投藥量、縮小設(shè)施規(guī)模、縮短運(yùn)行時(shí)間并降低水處理廠的運(yùn)行和維護(hù)成本，同時(shí)提高污染物的去除效率〔3〕。由于微納米氣泡只能存在液體中，無(wú)形中加大了對(duì)其觀察和檢測(cè)的難度，這也是微納米氣泡技術(shù)研究的瓶頸之一。

對(duì)不同文獻(xiàn)中氣泡的定義分類進(jìn)行總結(jié)，概述了微納米氣泡的各分析測(cè)量技術(shù)，總結(jié)了微納米氣泡在氣浮工藝中的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及前景，對(duì)微納米氣泡在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展具有一定意義。

1 氣泡定義和分類

人們對(duì)液體介質(zhì)中氣泡的研究已有50余年歷史，但對(duì)于氣泡的類型和分類研究者仍然存在爭(zhēng)議。目前較主流的方法是根據(jù)氣泡特性加以區(qū)別〔4〕，而氣泡特性主要取決于氣泡尺寸分布〔5〕。因此，研究人員常將尺寸分布作為分類依據(jù)，但對(duì)尺寸范圍的定義也不盡相同。 R.Pérez-Garibay 等〔6〕將尺寸為 600~2 500 μm的氣泡稱為常規(guī)氣泡或大氣泡，而Xu等將該尺寸范圍的氣泡簡(jiǎn)單稱為 “比微氣泡大的氣泡”。同樣地，不同學(xué)者對(duì)“大氣泡”的定義也有差別。S.Khuntia等〔7〕將發(fā)酵罐、礦石浮選設(shè)備中常用的直徑范圍為2~5 mm的氣泡稱為“大氣泡”。而J.K.Edzwald等〔8〕將直徑在1~10 mm范圍內(nèi)的氣泡分類為“大氣泡”。K.Ebina等〔9〕將微米氣泡定義為 10~50 μm 范圍內(nèi)的微小氣泡，K.Terasaka 等〔10〕將這一范圍擴(kuò)大到 10~60 μm，而 R.Pérez-Garibay 等〔6〕將微米氣泡分類在30~100 μm范圍內(nèi)。雖然對(duì)微米氣泡尺寸范圍的定義不相同，但大多數(shù)學(xué)者都將微米氣泡的尺寸范圍分類于10~100 μm。

與微米氣泡的情況類似，研究人員沒(méi)有就納米氣泡的定義達(dá)成共識(shí)。A.Agarwal等〔3〕將納米氣泡定義為直徑200 nm以下的氣泡，未對(duì)200 nm~10 μm范圍內(nèi)的氣泡進(jìn)行歸類。Z.Wu等〔11〕將納米氣泡或亞微米氣泡定義為尺寸＜1 μm的氣泡，并將尺寸＜500 nm的氣泡也歸類為亞微米氣泡或納米氣泡。T.Temesgen等〔12〕總結(jié)了不同研究人員的納米氣泡尺寸上限，基于氣泡性質(zhì)的相似性，認(rèn)為1 μm作為納米氣泡尺寸范圍的上限較為合理，并將1~10 μm直徑的氣泡命名為“sub-MBs”，即亞微米氣泡?；谏鲜隹偨Y(jié)，筆者對(duì)不同尺寸范圍及性質(zhì)的氣泡進(jìn)行分類，如表1所示。

表1 不同尺寸范圍氣泡的性質(zhì)對(duì)比

2 氣浮工藝中微納米氣泡的應(yīng)用特性

近幾十年，氣浮技術(shù)已成為水處理基本分離過(guò)程之一。氣浮主要用于分離粉末狀物質(zhì)、化學(xué)顆粒物、金屬顆粒、油類、藻類和有機(jī)物等〔13〕。與傳統(tǒng)氣浮工藝中的氣泡相比，微納米氣泡具有在水中存在時(shí)間長(zhǎng)（上升速度慢）、比表面積大、界面電位高等優(yōu)點(diǎn)〔14〕。微納米氣泡技術(shù)在氣浮工藝中的普及不僅能減少處理過(guò)程中混凝劑的使用量，提高處理效率，而且能顯著減小氣浮處理構(gòu)筑物的尺寸。

2.1 氣泡尺寸對(duì)氣浮效果的影響

微納米氣泡的比表面積較大，相同體積下，微納米氣泡的表面積遠(yuǎn)大于毫米氣泡〔15〕，可為絮體提供更多的附著位置。在浮選過(guò)程中降低氣泡尺寸，能夠大幅提高固液分離效率〔16〕。 S.Dockko 等〔17〕研究了顆粒特性不變的條件下，通過(guò)降低氣泡尺寸及改變氣泡表面電荷來(lái)提高浮選效率的可能性。從浮選角度來(lái)看，微納米氣泡被廣泛用于去除水中的污染物，其處理效率和成本控制顯著優(yōu)于常規(guī)氣泡氣浮工藝。N.Ahmed等〔18〕通過(guò)控制多相流泵的葉輪速度改變氣泡大小，研究了氣泡尺寸對(duì)氣浮工藝顆粒物去除效率的影響。當(dāng)氣泡直徑從655 μm減小到75 μm時(shí)，氣浮效率提升了 100 倍。同樣，R.H.Yoon〔19〕研究表明，在浮選過(guò)程中減小氣泡尺寸能夠提高氣泡與細(xì)小顆粒發(fā)生共聚作用的概率。隨著氣泡尺寸的不斷減小，共聚作用加強(qiáng)，分離效率顯著提高。

氣浮過(guò)程中，納米氣泡增加強(qiáng)化了氣泡懸浮層的穩(wěn)定性，降低了氣泡上升速度，從而增加顆粒物和微氣泡的接觸時(shí)間，為去除難上浮顆粒物提供了有利條件〔20〕。 J.C.Tai等〔21〕用混凝-納米氣泡氣浮工藝進(jìn)行中試，結(jié)果表明納米氣泡對(duì)污水的凈化效率比常規(guī)的混凝-氣浮工藝提高了40%，對(duì)濁度、懸浮總固體（TSS）的去除率約為95%，不僅降低了成本，還有效提高了出水水質(zhì)。在印染廢水處理方面，納米氣泡能夠顯著提升預(yù)處理效率，降低絮凝劑使用量，而且對(duì)色度、油污及COD的去除率較傳統(tǒng)氣浮工藝分別提高了110%、40%、30%〔22〕。這些研究表明具有絮凝預(yù)處理的納米氣泡浮選技術(shù)在成本和性能方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。但與常規(guī)氣浮工藝相比，微納米氣泡浮選技術(shù)不夠成熟，在降低氣泡尺寸對(duì)處理效率提升效果不大的情況下，為控制成本仍建議使用傳統(tǒng)氣浮工藝。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，微納米氣泡氣浮技術(shù)的工藝參數(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化，以證明其可行性。

2.2 表面電荷對(duì)氣浮效果的影響

微納米氣泡的界面電位高于普通氣泡，因此吸附性能優(yōu)越。在水中發(fā)生收縮時(shí)，其表面電荷會(huì)在瞬間發(fā)生聚集，離子濃度升高，并在破裂時(shí)達(dá)到最高值。微納米氣泡的表面電荷在浮選過(guò)程中起到重要作用〔23〕。在廢水預(yù)處理過(guò)程中，絮凝-負(fù)電荷納米氣泡氣浮工藝對(duì)油類及懸浮物表現(xiàn)出高去除率及良好的吸附效果。在化學(xué)機(jī)械拋光污水處理過(guò)程中，使用絮凝-負(fù)電荷納米氣泡氣浮技術(shù)能夠極大地提高處理效率，從而有效降低成本〔21〕。

近年來(lái)，關(guān)于高藻水處理技術(shù)的研究表明，帶正電荷的表面改性微氣泡能從淡水中有效分離藻類。在無(wú)混凝預(yù)處理情況下，其對(duì)藻細(xì)胞和葉綠素a的去除率分別達(dá)到90%、92%〔23-24〕。 對(duì)于總有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳及其他脂肪族、芳香族化合物等，改性電荷微納米氣泡工藝（Posi-DAF）的去除率能達(dá)到30%以上〔25〕。Posi-DAF工藝對(duì)污染物的去除機(jī)理歸因于氣泡與顆粒物之間的相似尺寸和相反電荷，可加強(qiáng)氣泡與污染物顆粒之間的碰撞效率，同時(shí)加強(qiáng)氣泡和污染物顆粒間的黏附強(qiáng)度，使其更易上浮〔26〕。

3 微納米氣泡特性檢測(cè)技術(shù)

3.1 粒徑分布

目前，測(cè)量氣泡尺寸的方法包括電導(dǎo)探針?lè)?、光纖探針?lè)ā⒐怆娒?xì)管法、激光衍射粒度儀法〔25，27〕、原子力顯微鏡法〔28〕及圖像分析法〔29〕，其中激光衍射粒度儀法、原子力顯微鏡法、圖像分析法是測(cè)量微納米氣泡最為典型和有效的方法。每種測(cè)量方法都有各自優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有一定局限性。例如，圖像分析法和原子力顯微鏡法雖然能直接獲取可見(jiàn)圖像并分析氣泡的平均直徑，但分析統(tǒng)計(jì)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，效率較低。

與其他方法相比，圖像分析法的優(yōu)勢(shì)在于可以測(cè)量直徑小至0.8 μm的微氣泡，其裝置及效果〔30〕如圖1所示。

圖1 圖像分析法裝置及效果

R.T.Rodrigues等〔30〕通過(guò) 1 根 45°放置 的采 樣管，將溶氣水從氣浮池不斷泵出至1個(gè)定制的氣泡捕獲單元進(jìn)行觀察，并將裝有顯微鏡的相機(jī)與該捕獲單元垂直放置以不斷獲得氣泡圖像，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。該方法獲得的圖像比較清晰，便于精確計(jì)算氣泡尺寸，但也忽略了氣泡泵出過(guò)程中的碰撞、聚集因素，且氣泡在浮力作用下與窺視窗接觸造成的尺寸變化也會(huì)對(duì)測(cè)量精確度產(chǎn)生影響。W.H.Zhang等〔31〕開(kāi)發(fā)了一種微氣泡圖像分析系統(tǒng)，將顯微鏡與CCD相機(jī)組合對(duì)氣泡觀測(cè)室內(nèi)的氣泡進(jìn)行測(cè)量。用蠕動(dòng)泵將白水抽至采樣裝置中，經(jīng)采樣裝置氣泡進(jìn)入觀測(cè)室內(nèi)。但CCD相機(jī)獲取的圖像質(zhì)量較差，且氣泡通過(guò)水泵和采樣裝置過(guò)程中容易發(fā)生膨脹、聚集，存在一定誤差。 R.Pérez-Garibay 等〔6〕在氣浮池池壁上安裝了1個(gè)窺視窗，窺視窗中間留有3 mm左右的縫隙，進(jìn)行氣浮作業(yè)時(shí)微氣泡流經(jīng)窺視窗的縫隙，此時(shí)用CCD工業(yè)相機(jī)采集微氣泡圖像，再將捕捉到的圖像用Image-Pro軟件進(jìn)行分析。這種測(cè)量方法不用將氣泡從原環(huán)境中取出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣泡的原位檢測(cè)，且窺視窗縫隙小，方便對(duì)焦。其缺點(diǎn)在于必須在池壁開(kāi)孔安裝窺視窗?？傊?，這些圖像分析方法具有一個(gè)共同缺點(diǎn)：相機(jī)對(duì)焦只能捕捉到同一平面上的氣泡，每次獲得的氣泡數(shù)量有限，導(dǎo)致需要大量時(shí)間進(jìn)行分析。

激光衍射粒度儀基于光的散射性原理，可獲取0.1 μm~3 mm直徑范圍的氣泡尺寸，其設(shè)備見(jiàn)圖2。

圖2 激光粒度儀法設(shè)備

與圖像分析法相比，激光粒度儀能在短時(shí)間內(nèi)得出非常精確的氣泡尺寸報(bào)告，十分簡(jiǎn)單迅速〔32〕。但其缺點(diǎn)也非常明顯：在白水輸送至樣品池的過(guò)程中氣泡間會(huì)發(fā)生聚合，且不同平面上的氣泡會(huì)發(fā)生重疊，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果比實(shí)際數(shù)量有所減少，且無(wú)法直接獲得可見(jiàn)圖像〔33〕。

原子力顯微鏡（AFM）可通過(guò)檢測(cè)樣品與納米探針原子間的相互作用力實(shí)現(xiàn)精密成像〔34〕。原子力顯微鏡的優(yōu)勢(shì)在于能夠獲得清晰的納米級(jí)尺寸氣泡的3D圖像，能對(duì)氣液界面性質(zhì)進(jìn)行直觀分析，檢測(cè)結(jié)果非常準(zhǔn)確〔1〕。其工作原理及圖像見(jiàn)圖3。但原子力顯微鏡技術(shù)難度大，操作復(fù)雜，且無(wú)法對(duì)運(yùn)動(dòng)中的微氣泡進(jìn)行檢測(cè)，只能逐個(gè)測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)量效率較低。要獲得微納米氣泡的粒徑分布則需要對(duì)大量氣泡進(jìn)行檢測(cè)，限制了其在微納米氣泡粒徑檢測(cè)中的應(yīng)用。

無(wú)論圖像分析法、激光粒度儀法還是原子力顯微鏡法，在實(shí)際應(yīng)用中都有相應(yīng)的局限性。而微納米氣泡穩(wěn)定性較強(qiáng)，在水中能夠停留很長(zhǎng)時(shí)間〔5〕，需要相對(duì)簡(jiǎn)單的原位檢測(cè)方法來(lái)測(cè)量其尺寸，為研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖3 原子力顯微鏡工作原理及獲得的納米氣泡圖像

3.2 上升速度

不同上升速度的氣泡在液體中的運(yùn)動(dòng)行為不同〔35〕。不同尺寸微氣泡的上升速度與其在水中的運(yùn)動(dòng)軌跡息息相關(guān)。雷諾數(shù)為零時(shí)可用斯托克定律或Hadmard-Rybczynski方程（H-R方程）計(jì)算得出單個(gè)球形氣泡的上升速度〔36〕。該理論表明氣泡直徑和液體黏度是影響上升速度的主要因素。為驗(yàn)證上述理論，有學(xué)者用高速攝像機(jī)、觀測(cè)單元和圖像分析軟件構(gòu)成顯微系統(tǒng)，測(cè)量微納米氣泡的上升速度。如圖4 所示，M.Takahashi〔37〕試驗(yàn)結(jié)果與 H-R 方程的計(jì)算結(jié)果基本一致，而A.Tomiyama等〔38〕的試驗(yàn)結(jié)果表明，氣泡尺寸較小時(shí)上升速度變化規(guī)律與H-R方程的數(shù)據(jù)相近，但氣泡尺寸＞40 μm時(shí)，上升速度會(huì)明顯高于H-R方程的計(jì)算結(jié)果。

圖4 單個(gè)氣泡上升速度隨尺寸變化情況

對(duì)氣泡上升速度有重要影響的另一因素是氣泡內(nèi)氣體分子種類。有研究表明，N2產(chǎn)生的微氣泡在水中的上升速度規(guī)律與H-R公式的預(yù)測(cè)結(jié)果高度一致，空氣、二氧化碳、氦氣產(chǎn)生的微泡上升速度卻明顯高于 H-R 公式的預(yù)測(cè)值〔36〕。 F.Azgomi等〔39〕認(rèn)為氣含率與氣泡上升速度也有密切聯(lián)系，氣泡尺寸減小導(dǎo)致氣含率增加，進(jìn)而造成氣泡上升速度下降。總之，當(dāng)氣泡尺寸較大或氣泡內(nèi)氣體不是N2時(shí)，用H-R公式得出的上升速度會(huì)明顯低于氣泡的實(shí)際上升速度，且紊流狀態(tài)下氣泡的上升速度不適用該方程。因此，能夠準(zhǔn)確測(cè)量氣泡上升速度的技術(shù)方法仍有待開(kāi)發(fā)。

3.3 氣含率

在溶氣氣浮工藝中，氣含率與處理效率密切相關(guān)。氣浮分離區(qū)的氣含率會(huì)影響進(jìn)入的水流流跡〔40〕。近幾年的研究結(jié)果表明，由于微氣泡簇具有較高的氣含率和比表面積，微小氣泡的分離效率無(wú)論在礦選還是水處理過(guò)程，都比大尺寸氣泡的高得多〔41〕。因此，研究氣含率能為深入了解氣浮分離區(qū)的作用原理提供理論支持，同時(shí)為氣浮池CFD數(shù)值模擬和建模提供必要的數(shù)據(jù)條件。

微氣泡氣含率的測(cè)量方法較多，目前應(yīng)用較多的有壓力差法、電導(dǎo)率法〔42〕。壓力差法的前提是忽略氣液兩相之間的傳質(zhì)作用，通過(guò)壓力傳感器來(lái)估算氣含率，成本較低且具有非干擾性，但不足之處在于只能測(cè)量池內(nèi)整體氣含率〔42〕。

電導(dǎo)率法包括電導(dǎo)探針?lè)ê碗妼?dǎo)流動(dòng)池法，其中電導(dǎo)探針的尺寸一般＞100 μm，這也限制了電導(dǎo)探針?lè)ㄔ跍y(cè)量微氣泡中的應(yīng)用。能夠有效測(cè)量微氣泡流體氣含率的方法之一是電導(dǎo)流動(dòng)池法，該方法基于Maxwell模型建立氣含率與氣-液混合物電導(dǎo)率的關(guān)系來(lái)測(cè)量氣含率〔43〕。電導(dǎo)流動(dòng)池法采用1個(gè)開(kāi)放式電導(dǎo)率池和1個(gè)虹吸式電導(dǎo)率池。其中開(kāi)放式電導(dǎo)率池是1個(gè)兩端通透的柱體管，微泡隨水流在池中自由流動(dòng)。而虹吸式電導(dǎo)率池底部是錐形結(jié)構(gòu)，帶有1個(gè)不允許氣泡進(jìn)入的小孔。使用時(shí)，兩池同時(shí)測(cè)量池內(nèi)流體的電導(dǎo)率，然后根據(jù)兩池的電導(dǎo)率差計(jì)算氣含率。使用電導(dǎo)流動(dòng)池有效解決了電導(dǎo)率受溫度影響大的問(wèn)題，測(cè)量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，但待測(cè)氣含率＜0.02時(shí)，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性嚴(yán)重下降。

3.4 Zeta電位

Zeta電位又稱電動(dòng)電位或電動(dòng)勢(shì)，是固液界面之間滑動(dòng)平面的電勢(shì)〔37〕。微納米氣泡的界面電位代表氣泡表面雙電層產(chǎn)生的電勢(shì)差。電位值的高低能對(duì)氣泡表面的吸附性能產(chǎn)生一定影響。計(jì)算微納米氣泡Zeta電位的基本方法是Smulochowski方程〔44〕。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究人員用Zeta電位分析儀測(cè)量微泡的Zeta電位〔45〕。微泡進(jìn)入測(cè)量單元后在電場(chǎng)力作用下橫向遷移，分析儀記錄圖像中微泡的水平速度、電場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)Smulochowski方程計(jì)算微泡的電泳遷移率和Zeta電位。

Zeta電位分析儀的測(cè)量效率高，但必須將氣泡轉(zhuǎn)移至儀器內(nèi)，且分析過(guò)程中氣泡會(huì)發(fā)生上浮、聚集，從而使測(cè)量結(jié)果存在一定誤差。當(dāng)微氣泡無(wú)法在分析儀長(zhǎng)時(shí)間存在時(shí)，通過(guò)電泳池、CCD攝像機(jī)、顯微鏡頭和圖像分析軟件組成的電泳系統(tǒng)來(lái)測(cè)量Zeta電位是一種主流的解決方法〔46〕，如圖5所示。

圖5 Zeta電位分析儀和微氣泡Zeta電位測(cè)量系統(tǒng)

用1根導(dǎo)管將氣浮池內(nèi)的微氣泡導(dǎo)入微電泳儀的底部，使微泡在電泳儀內(nèi)緩慢上浮，同時(shí)在電場(chǎng)力的作用下橫向移動(dòng)。通過(guò)安裝了顯微鏡頭的CCD相機(jī)記錄微氣泡的運(yùn)動(dòng)圖像，再用計(jì)算機(jī)圖像分析軟件計(jì)算得出微泡的Zeta電位。采用這種方法測(cè)得的結(jié)果相對(duì)較準(zhǔn)確，但測(cè)量效率較低，需大量時(shí)間對(duì)圖像進(jìn)行分析計(jì)算。

4 展望

（1）傳統(tǒng)氣浮工藝在處理低溫低濁水、高藻水的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。作為一種固液分離技術(shù)，氣浮工藝的處理效果高度依賴于前處理手段——混凝。混凝效果好壞直接決定了氣浮出水水質(zhì)的優(yōu)劣。微泡表面電荷能夠正向改性這一發(fā)現(xiàn)催生了posi-DAF工藝，為實(shí)現(xiàn)無(wú)混凝前處理的氣浮工藝提供了新的可能。

（2）作為一種環(huán)境友好型技術(shù)，微納米氣泡在簡(jiǎn)化水處理構(gòu)筑物和降低運(yùn)營(yíng)成本方面具有巨大潛力。由于微納米氣泡的傳質(zhì)效率更高，上升速度相對(duì)較慢，增加了與顆粒物的碰撞效率。這些特性改變了人們對(duì)氣泡的認(rèn)識(shí)，促使研究人員對(duì)微納米氣泡進(jìn)行更深層次的研究。

（3）隨著微納米氣泡在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越深入，微納米氣泡特性的檢測(cè)技術(shù)和手段顯得越發(fā)重要，越來(lái)越多的微觀檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始用于微納米氣泡研究，如體視顯微鏡、原子力顯微鏡、CCD顯微相機(jī)等。不同于顆粒物，微納米氣泡在水中的存在時(shí)間有限，容易發(fā)生聚集、破裂，而目前的檢測(cè)技術(shù)普遍存在效率低、誤差大等缺點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米氣泡各項(xiàng)性質(zhì)的準(zhǔn)確檢測(cè)，需要一種操作簡(jiǎn)便且能用于復(fù)雜場(chǎng)景的原位檢測(cè)技術(shù)。在未來(lái)研究中，結(jié)合微觀檢測(cè)技術(shù)對(duì)微納米氣泡各項(xiàng)特性進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的表征，對(duì)于微納米氣泡的發(fā)展應(yīng)用至關(guān)重要。