微氣泡發(fā)生器的研究進(jìn)展

孫海龍

(中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院，江蘇南京 210048)

在傳統(tǒng)的氣-液(或氣-液-固)多相加氫或氧化過程，氣液的傳質(zhì)速率往往決定了反應(yīng)過程的效果，而傳質(zhì)速率又主要取決于傳質(zhì)系數(shù)和相界面積的大小。傳質(zhì)過程中氣泡尺寸是一個(gè)關(guān)鍵因素[1]，在處理含有氣-液-固多相體系的輕質(zhì)廢水過程中，采用氣浮法凈水能夠有效去除輕質(zhì)的懸浮固體或液體顆粒，氣泡的大小對(duì)除雜效率起到關(guān)鍵作用[2]：如將微氣泡引入船體、魚雷、潛艇等流動(dòng)層邊界內(nèi)，形成微氣泡與水的混合介質(zhì)，可減小運(yùn)動(dòng)物體與流體之間的摩擦阻力[3]；還可向水中通入空氣或氧氣微氣泡，提高水體中的氧含量，進(jìn)而能夠解決因水體內(nèi)氮磷含量過多而引發(fā)水體中氧含量下降的問題[4]，因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)高效的微氣泡發(fā)生器較為重要。目前，制備微氣泡常采用的方法有溶氣-釋氣法、微孔曝氣法、引氣-散氣法、超聲/聲壓法和電解法等[1]。

1 溶氣-釋氣法

溶氣-釋氣法即首先提高壓力將氣體溶解，之后釋壓使氣體快速釋放，產(chǎn)生微氣泡的方法，具體流程見圖1。氣體通過泵加壓溶解在溶氣罐中，再通過釋放器釋放制造微氣泡。

圖1 溶氣-釋氣法制造微氣泡流程

許多學(xué)者對(duì)溶氣-釋氣法產(chǎn)生微氣泡過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該過程主要影響因素有三類。

1)操作條件，如溶氣量、液量流量、操作壓力等。Maeda等[5]研究表明微氣泡的數(shù)量隨著液相流量的增大而增加，這是由于隨著液體流量的增大，氣穴氣泡增加，氣泡數(shù)量增加。微氣泡的數(shù)量與直徑隨著溶氣量的增大而增加，這是由于溶氣量增加，氣體含量高，氣泡數(shù)目多，氣泡易碰撞并合并成大氣泡。李景明等[6]研究表明：提高溶氣壓力可使微氣泡尺寸減小，這是由于在溶入相同體積氣體的條件下，自由能的變化與氣體的半徑成反比，即生成氣泡的半徑越小、生成的個(gè)數(shù)越多，自由能的變化就越大，則需要的初始能量也就越大。因此，為獲得尺寸較小的氣泡，就必須升高溶氣罐中初始溶氣的壓力。

2)設(shè)備結(jié)構(gòu)，如釋放器結(jié)構(gòu)等。Maeda等[5]研究了釋放器的結(jié)構(gòu)對(duì)微氣泡過程產(chǎn)生的影響。當(dāng)采用節(jié)流孔釋放器時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著質(zhì)量流量的增加，釋放器內(nèi)流場從無空化狀態(tài)依次發(fā)展為泡狀空化和片狀空化?？栈葜械恼羝谙掠胃邏簠^(qū)冷凝為液相，使空化泡回縮形成不可溶氣體，從而制造直徑較小的微氣泡。因而，釋放器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)微氣泡產(chǎn)生過程有著較大的影響。

3)物質(zhì)性質(zhì)，如氣-液兩相界面張力等。Feris等[7]對(duì)水-空氣系統(tǒng)溶氣氣浮試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在水力負(fù)荷和產(chǎn)生微氣泡效果一致的條件下，加入表面活性劑油酸鈉，可使溶氣罐的操作壓力降低33%。Zhang等[8]研究發(fā)現(xiàn)：在溶氣罐中加入TX-100表面活性劑，可使微氣泡的Sauter平均直徑減少23.8%，這是由于在加入表面活性劑的條件下，可以降低氣液表面張力，達(dá)到相同微氣泡的效果，可輸入更低的能量，或在相同的能量輸入條件下，產(chǎn)生微氣泡的效果更優(yōu)。但是，添加表面活性劑時(shí)應(yīng)充分考慮介質(zhì)成分以及雜質(zhì)存在等因素的影響。

綜上，利用溶氣-釋氣法制造微氣泡，需綜合考慮操作條件，設(shè)備結(jié)構(gòu)及體系性質(zhì)的影響，從而達(dá)到最佳的氣泡效果。同時(shí)，通過以上學(xué)者的研究表明，溶氣-釋氣法雖能產(chǎn)生大密度、尺寸較小的氣泡，但此方法能耗較高，需通過高壓將氣體溶入液體中，且流程復(fù)雜，對(duì)其使用條件產(chǎn)生了一定限制。

2 微孔曝氣法

微孔曝氣相對(duì)于普通的鼓泡，材料的孔徑更小，孔徑的尺寸為納米級(jí)或微米級(jí)，能產(chǎn)生更細(xì)小的氣泡，流程見圖2。

圖2 微孔曝氣法產(chǎn)生微氣泡流程

微孔曝氣過程的主要影響因素有3類。

1)操作條件，如氣液相流量、氣體壓差等。徐振華等[9]和吳勝軍等[10]采用微孔管配合液流剪切形成微氣泡，微氣泡平均粒徑隨壓差的增大或氣-液流速比的減小而減小，這是由于氣體壓差越大，可以穿透膜孔中更小的孔徑，同時(shí)氣泡的大小與壓差的關(guān)系可以根據(jù)拉普拉斯方程表示，壓差越大，氣泡越小。液體流量的增大，黏滯力增大，抑制了氣泡的膨脹，同時(shí)，液體流量增大，停留時(shí)間短，氣泡匯聚形成大氣泡的機(jī)率小，從而產(chǎn)生的微氣泡較小。氣體流量增大，水中微氣泡的數(shù)目增大，氣泡匯聚的機(jī)率增大，容易形成較大的氣泡。Kazakis等[11]研究了氣體流量對(duì)氣泡大小及氣泡分布的影響，結(jié)果表明在低液體表面張力條件下，氣泡隨氣體流量的增大而減小，反之，在較高液體表面張力下，氣泡隨氣體流量的增大而增大。這是因?yàn)闅怏w流速對(duì)氣泡會(huì)產(chǎn)生兩方面的作用，一方面高氣速導(dǎo)致氣體更多地碰撞產(chǎn)生大氣泡，另一方面高氣體伴隨著高壓差，可以打開更多的小孔，從而產(chǎn)生更多小氣泡。在低表面張力液體中，氣泡不易碰撞，若氣速較高，產(chǎn)生的氣泡較小，反之，則產(chǎn)生的氣泡大。Xie等[12]研究了液體流速對(duì)膜產(chǎn)生氣泡大小的影響，其中，通過在膜中段加入不銹鋼金屬棒的方式增大液相流速。結(jié)果表明：增大液相流速可明顯減小氣泡大小，這是由于增大液體流速可以明顯增大液相剪切力，抑制氣泡的膨脹，進(jìn)而減小氣泡大小，該結(jié)論與徐振華等[9]和吳勝軍等[10]的研究結(jié)果一致。

2)流體性質(zhì)，如表面張力、黏度等。吳勝軍等[10]的研究結(jié)果表明：液體剪切流表面張力減小、黏度增加，氣泡分布變窄且粒徑較小。Xie等[12]研究了液體黏度、表面張力對(duì)膜產(chǎn)生氣泡大小的影響。結(jié)果表明，降低表面張力可降低氣泡大小。液體黏度對(duì)氣泡大小有雙重影響，黏度增大可以阻止氣泡合并，但是黏度增大會(huì)降低液體的剪切作用，導(dǎo)致氣泡變大。

3)微孔的性質(zhì)，如微孔的潤濕性、尺寸大小等。吳勝軍等[10]、Kukizaki等[13]研究表明微孔表面潤濕角減小，氣泡分布變窄且粒徑較小。這是因?yàn)楹雎约羟辛鞯募羟凶饔?，氣泡的生長是膨脹力和黏滯力平衡的結(jié)果，當(dāng)潤濕角為0～45°時(shí)，黏滯力大于膨脹力，氣泡生長緩慢，當(dāng)潤濕角大于45°時(shí)，則結(jié)果相反。Yasuda等[14]的研究同樣證實(shí)了接觸角對(duì)形成氣泡的影響，當(dāng)潤濕角小于45°時(shí)，2個(gè)孔間的距離比形成的氣泡尺寸大，在一個(gè)平整的表面上，更易得到小氣泡。Kazakis等[11]研究了微孔孔徑對(duì)氣泡大小及氣泡分布的影響，結(jié)果表明：由于毛細(xì)壓力的作用，小孔徑可以產(chǎn)生更小的氣泡。

綜上，利用微孔曝氣法制造微氣泡，需綜合考慮操作條件、體系性質(zhì)和設(shè)備結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而達(dá)到最佳的氣泡效果。同時(shí)，通過以上學(xué)者的研究表明，微孔曝氣法雖能在較低的能耗下，產(chǎn)生大密度、小尺寸的氣泡，但由于微孔孔徑較小，在某些應(yīng)用體系下，容易造成堵塞的現(xiàn)象。

3 引氣-散氣法

引氣-散氣法主要利用流場的剪切、碰撞等作用使較大的氣穴破碎，形成微氣泡。這類方法產(chǎn)生的微氣泡粒徑相對(duì)較大且單分散性較差，但產(chǎn)量和能效較高，設(shè)備成本低，在規(guī)?；瘧?yīng)用中較有優(yōu)勢(shì)。常用引氣-散氣法制備微氣泡的具體方法有文丘里管法、自吸射流法、葉輪旋流法、氣-液旋流法等。

Sadatomi等[15]采用文丘里管法制造微氣泡，在一段直流水管中加入一個(gè)實(shí)心小球，通過實(shí)心小球后端的負(fù)壓將氣體吸入到液體中，再通過液體的紊流和剪切將氣體分散為小氣泡，流程見圖3。同時(shí)還研究了該類微氣泡發(fā)生器最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 文丘里管法制造微氣泡流程

自吸射流式結(jié)構(gòu)與文丘里管式類似，惠恒雷[16]、李浙昆等[17]、劉炯天等[18]對(duì)自吸式射流法制造微氣泡進(jìn)行了研究。自吸射流式法與文丘里管法不同的是，液體噴射后會(huì)由連續(xù)相變?yōu)橐旱?，之后再成為連續(xù)相，利用湍射流的紊動(dòng)擴(kuò)散作用來傳遞能量與質(zhì)量。

曹群科[19]、陳衛(wèi)瑋[20]對(duì)葉輪旋流法制造微氣泡過程進(jìn)行了研究。葉輪旋流法主要通過底部中空葉輪的快速旋轉(zhuǎn)在水中形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，水面上的空氣通過中空管道抽送至水下，并在底部葉輪快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力作用下把空氣粉碎成微氣泡。葉輪旋流法靠的是機(jī)械破碎吸入水中的空氣形成氣泡，氣泡直徑較大，尺寸分布較廣。

Ohnari等[21]、Terasaka等[22]、Levitsky等[23]、張永忍[24]對(duì)氣-液旋流法制造微氣泡進(jìn)行了研究。與其他方法類似，也是依靠制造負(fù)壓，吸進(jìn)氣體，進(jìn)行破碎產(chǎn)生微氣泡。其中，負(fù)壓主要依靠不斷提速，制造壓差而產(chǎn)生。

以上研究表明，引氣-散氣法是利用制造負(fù)壓，吸進(jìn)氣體，之后再進(jìn)行氣液接觸，實(shí)現(xiàn)能量傳遞，產(chǎn)生微氣泡?？傮w而言，該方法制造氣泡數(shù)量多，能耗低，但氣泡尺寸相對(duì)較大，氣泡尺寸分布寬。

4 超聲/聲壓法

超聲/聲壓法可以采用2種方式產(chǎn)生微氣泡，超聲振蕩作用于較大氣-液界面和超聲，直接誘使液體發(fā)生空化和潰滅，流程見圖4。Makuta[25]等提出將超聲振蕩施加于較大孔徑的氣相入流口，氣體由入流口進(jìn)入較短距離后，氣-液界面在聲壓作用下發(fā)生破碎，使入流口外的氣穴霧化而產(chǎn)生微氣泡。Feinstein等[26]研究了超聲直接誘使液體發(fā)生空化和潰滅，結(jié)果表明產(chǎn)生氣泡的粒徑較為分散。通過超聲產(chǎn)生微氣泡，需要超聲裝置，產(chǎn)生的氣泡數(shù)量有限，且能耗較高，對(duì)其使用產(chǎn)生了一定的限制。

圖4 超聲/聲壓法制造微氣泡流程

5 電解法

電解法主要通過電極電解水產(chǎn)生微氣泡，氣泡主要成分為氫氣和氧氣，電解法制造微氣泡流程見圖5。

圖5 電解法制造微氣泡流程

許多學(xué)者對(duì)電解法產(chǎn)生微氣泡過程進(jìn)行了研究，主要集中在電極表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、電流電壓等因素對(duì)電解法產(chǎn)生微氣泡過程的影響等方面。劉萌等[3]、Yu等[27]研究了電極表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)對(duì)電解法產(chǎn)生微氣泡過程的影響，其中，劉萌等[3]研究表明與親水的多孔電極相比，疏水的多孔電極表面能夠黏附氣泡，更易傾向于形成穩(wěn)定的氣膜。與沒有多孔結(jié)構(gòu)的親水電極相比，具有多孔結(jié)構(gòu)的親水電極表面產(chǎn)生的氣泡數(shù)量多，速率快。與較小孔徑的多孔親水電極相比，較大孔徑的多孔親水電極表面產(chǎn)生氣泡速率快且黏附氣泡數(shù)量少。Yu等[27]發(fā)現(xiàn)使用潤濕性能相反的電極能夠促進(jìn)氣泡快速脫落和氣泡定向移動(dòng)，進(jìn)而提升電解效率。此外，在電極表面構(gòu)造微結(jié)構(gòu)可增加氣泡的有效面積和改變潤濕性，在提升電解產(chǎn)泡效率方面顯示出較大的潛力。

劉季霖[28]、Janssen等[29]考察了電流電壓等因素對(duì)電解法產(chǎn)生微氣泡過程的影響，其中，劉季霖研究表明施加電壓的越大，氣泡粒徑越小。Janssen等研究表明增大電流可直接提高氣泡產(chǎn)率，同時(shí)使氣泡粒徑減小，但電流的增大也會(huì)使熱效應(yīng)加劇，降低能效的同時(shí)引發(fā)熱紊流，影響微氣泡粒徑的單分散性。

由上述研究進(jìn)展可知：雖然增大電流電壓可以減低氣泡的粒徑，增大氣泡產(chǎn)率，但能耗較高。在控制能耗的前提下，為提高電解法產(chǎn)生微氣泡的產(chǎn)率及降低粒徑，可以對(duì)電極表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。與其他方法相比，電解法的能耗較高，氣泡產(chǎn)率偏低，且氣泡的組分較為單一[1]，導(dǎo)致電解法制造微氣泡的應(yīng)用受限。

6 不同方法的耦合應(yīng)用效果

為提高制造微氣泡的效果，可以將不同方法進(jìn)行耦合。

1)溶氣-釋氣法與引汽-散氣法相結(jié)合，如氣浮泵技術(shù)，利用泵葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，制造負(fù)壓抽吸氣體與液體混合，通過葉輪的剪切攪拌，使氣體分散為微小氣泡。同時(shí)在泵腔內(nèi)形成高壓使部分氣體溶解，在出口處設(shè)置快速降壓釋氣裝置，制造微氣泡。袁鵬等[30]將氣浮泵裝置用于豎流氣浮反應(yīng)器，在工作壓力0.04 MPa、吸氣量8%的工況下，可以產(chǎn)生50 μm的微氣泡。

2)微孔曝氣法與引汽-散氣法相結(jié)合。Sadatomi等[31]將多孔材料應(yīng)用于引氣位置，可增強(qiáng)氣體吸入時(shí)的分散效果，但研究結(jié)果表明：與300 μm孔徑材料相比，25 μm孔徑材料氣泡大小并無明顯變化，可能是由于引氣造成的負(fù)壓能力不夠，氣體曝氣能力不強(qiáng)的原因。為提高氣體曝氣能力，可進(jìn)一步加大入口氣體壓力，提高整個(gè)過程制造微氣泡的效率。

3)微孔曝氣法與超聲/聲壓法相結(jié)合。徐金球等[32]對(duì)比了單獨(dú)使用曝氣、單獨(dú)使用超聲和曝氣超聲同時(shí)使用時(shí)對(duì)廢水中有機(jī)物氧化降解作用的效果，發(fā)現(xiàn)曝氣超聲同時(shí)使用時(shí)的效果最優(yōu)，此時(shí)氣泡的數(shù)量較多，氣泡的粒徑較小，氧氣的傳質(zhì)效果更佳。Shirota等[33]將微孔曝氣法與超聲/聲壓法相結(jié)合，通過揚(yáng)聲器，在氣相入流管路中形成壓縮與膨脹脈沖。壓縮脈沖促使孔口氣穴生長，之后的膨脹脈沖則促使氣穴快速收縮，導(dǎo)致氣穴頸部斷裂形成微氣泡。

4)電解法與超聲/聲壓法相結(jié)合。Lee等[34]研究結(jié)果表明通過超聲對(duì)電極附著氣泡施加拖拽力，可有效地加速微氣泡脫落。

7 結(jié)語

介紹了微氣泡發(fā)生器的研究進(jìn)展，對(duì)比分析了使用溶氣-釋氣法、微孔曝氣法、引氣-散氣法、超聲/聲壓法和電解法產(chǎn)生微氣泡的特點(diǎn)，得到以下結(jié)論。

1)溶氣-釋氣法。操作條件、設(shè)備結(jié)構(gòu)及物質(zhì)性質(zhì)等均會(huì)對(duì)溶氣-釋氣法產(chǎn)生微氣泡的過程產(chǎn)生影響。溶氣-釋氣法雖能產(chǎn)生密度大、尺寸小的氣泡，但該方法能耗較高、流程復(fù)雜，需通過高壓將氣體溶入液體中，對(duì)其使用產(chǎn)生了一定的限制。

2)微孔曝氣法。操作條件、流體性質(zhì)及微孔的性質(zhì)會(huì)對(duì)微孔曝氣法產(chǎn)生微氣泡過程產(chǎn)生影響。微孔曝氣法能耗低，產(chǎn)生的氣泡尺寸分布窄，氣泡數(shù)量多，但孔道易堵塞。

3)引氣-散氣法。常用引氣-散氣法制備微氣泡的具體方法有文丘里管法、自吸射流法、葉輪旋流法、氣-液旋流法等，引氣-散氣法產(chǎn)生的氣泡數(shù)量多，能耗低，但氣泡相對(duì)較大，氣泡尺寸分布較寬。

4)超聲/聲壓法。超聲/聲壓法產(chǎn)生微氣泡主要有超聲振蕩作用于較大氣-液界面和超聲直接誘使液體發(fā)生空化和潰滅2種方法。超聲/聲壓法產(chǎn)生微氣泡，需要超聲裝置，產(chǎn)生的氣泡數(shù)量有限，且能耗較高，對(duì)其使用產(chǎn)生了一定的限制。

5)電解法。電極表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、電流電壓等因素會(huì)對(duì)電解法產(chǎn)生微氣泡過程產(chǎn)生影響。電解法的能耗較高、氣泡產(chǎn)率偏低，且氣泡組分較單一。

6)不同方法的耦合應(yīng)用。溶氣-釋氣法與引氣-散氣法、微孔曝氣法與引氣-散氣法、微孔曝氣法與超聲/聲壓法或電解法與超聲/聲壓法相結(jié)合，可以提高微氣泡的制造效果。