微氣泡發(fā)生器的研究與應(yīng)用進(jìn)展

翟霖曉，崔怡洲，李成祥，石孝剛，高金森，藍(lán)興英

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

氣液兩相體系普遍存在于化工、制藥、食品和環(huán)境等領(lǐng)域，氣液相之間的接觸面積和接觸時(shí)間是限制氣液兩相體系工業(yè)應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵因素。2017年，ISO將直徑介于1～100μm的氣泡定義為微氣泡[1]。目前普遍將尺寸1～1000μm 以內(nèi)的氣泡統(tǒng)稱為微氣泡。相較于常規(guī)的毫米或厘米級(jí)氣泡，微氣泡具有更高的穩(wěn)定性、更長(zhǎng)的停留時(shí)間、更大的比表面積和更快的氣體溶解速度。得利于這些特性，微氣泡技術(shù)得到了人們的廣泛關(guān)注。20 世紀(jì)70 年代，Sebba[2]就對(duì)微氣泡工業(yè)應(yīng)用潛力進(jìn)行了分析，在后續(xù)的幾十年里，科研領(lǐng)域?qū)τ谖馀菰诠I(yè)中的應(yīng)用研究不斷深入；80 年代時(shí)，溶氣氣浮技術(shù)已經(jīng)能夠生成尺寸為10～120μm 的微氣泡，并在水處理領(lǐng)域得到了應(yīng)用[3]；90 年代時(shí)，Kaster等[4]成功將微氣泡技術(shù)應(yīng)用于酵母發(fā)酵過(guò)程中；90年代中期，我國(guó)研制的旋流微氣泡浮選柱投入工業(yè)生產(chǎn)[5]；進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著對(duì)于化工過(guò)程更加高效、集成化的需求，微氣泡強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的優(yōu)勢(shì)逐漸受到關(guān)注，微氣泡強(qiáng)化技術(shù)在化工過(guò)程領(lǐng)域中的應(yīng)用也逐漸發(fā)展起來(lái)[6-7]。

目前微氣泡技術(shù)在水處理[8]、礦物浮選[9]、化工[7]、醫(yī)學(xué)[10]和生物研究[11]等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定的應(yīng)用。在對(duì)微氣泡的應(yīng)用過(guò)程中，微氣泡尺寸和微氣泡體系的氣含率是影響微氣泡工業(yè)強(qiáng)化效果的關(guān)鍵。為了更加高效、可控地制備微氣泡，多年來(lái)，研究者們對(duì)微氣泡的制備方法進(jìn)行了深入研究，研發(fā)了多種微氣泡發(fā)生器，其中包括文丘里管式[12]、旋流式[13]、溶氣-釋氣式[14]、射流式[15]、電解式[16]、超聲/聲壓式[17]、多孔陶瓷膜式[18]、多孔玻璃膜（SPG膜）式[19]和耦合式[20]等多種類型。

表1總結(jié)了各工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中幾種常用的微氣泡發(fā)生器。水處理過(guò)程中一方面要求微氣泡尺寸要足夠小，利用小尺寸的微氣泡在破裂時(shí)產(chǎn)生具有超高氧化還原電位的羥基自由基的特性，降解難以氧化分解的污染物，同時(shí)也能加快氧氣的溶解速度。另一方面，要盡量避免微氣泡產(chǎn)生過(guò)程中新物質(zhì)的引入和高剪切力對(duì)溶液中絮凝體的破壞。溶氣-釋氣式、微孔曝氣式和電解式微氣泡發(fā)生器既能產(chǎn)生尺寸較小、氣含率較高的微氣泡，同時(shí)能夠避免新物質(zhì)的引入和高剪切作用力的出現(xiàn)。耦合生物反應(yīng)器中要盡可能增加相界面積以提高氣相傳質(zhì)速率，因此需要有較高的氣含率，而氣泡尺寸盡量小即可，但需要嚴(yán)格注意的是避免高剪切力和高壓環(huán)境對(duì)微生物造成的破壞。攪拌式和噴射器陣列式微氣泡發(fā)生器有適度的剪切力且不依賴高壓環(huán)境，能產(chǎn)生尺寸較小、氣含率較高的微氣泡群，更加適合于耦合生物反應(yīng)器過(guò)程。礦物浮選過(guò)程中對(duì)微氣泡尺寸的要求相對(duì)較低，主要利用的是氣泡與礦物顆粒之間的碰撞和黏附作用，尺寸分布較大的微氣泡群更加適合于礦物浮選過(guò)程，小氣泡能夠增加氣泡與顆粒之間的碰撞概率，大氣泡帶動(dòng)小氣泡移動(dòng)，加強(qiáng)浮選效果。射流式和微孔曝氣式微氣泡發(fā)生器既能滿足礦物浮選過(guò)程對(duì)氣泡尺寸的需求，又能滿足氣泡數(shù)量的需求?；み^(guò)程主要利用的是微氣泡的強(qiáng)化傳質(zhì)效果，需要兼顧氣泡尺寸和氣含率，盡可能提高氣液相界面積。文丘里管式、超聲/聲壓式和微孔曝氣式這三種發(fā)生器能夠產(chǎn)生尺寸較小和氣含率較高的微氣泡，在化工過(guò)程中發(fā)揮重要作用。綜上所述，不同領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用需要根據(jù)需求選擇合適的微氣泡發(fā)生器，以獲得最佳的微氣泡強(qiáng)化效果。本文對(duì)水處理過(guò)程、耦合生物反應(yīng)器、礦物浮選過(guò)程和化工過(guò)程中常用的微氣泡發(fā)生器及其性能影響因素進(jìn)行了綜述。

表1 各領(lǐng)域常用微氣泡發(fā)生器類型及其對(duì)應(yīng)的氣泡尺寸和氣含率范圍

1 水處理過(guò)程

微氣泡技術(shù)是強(qiáng)化廢水處理的有效手段之一，微氣泡強(qiáng)化技術(shù)主要應(yīng)用于以下四種污水處理方法：活性污泥法、生物膜法、絮凝法和電解法。在活性污泥法和生物膜法中微氣泡的作用是增加氧氣在水中的溶解量，強(qiáng)化好氧微生物處理污水的效率；絮凝法中微氣泡能夠強(qiáng)化吸附污水中的絮凝團(tuán)，并將絮凝團(tuán)帶到水面上，從而起到強(qiáng)化凈水的作用；電解法的原理是通過(guò)電解水過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)氧化性氣體對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行氧化處理，同時(shí)電解產(chǎn)生的微氣泡能夠吸附懸浮在水中的顆粒物，進(jìn)一步增強(qiáng)污水處理效果。

水處理過(guò)程要求微氣泡尺寸較小且分布均勻從而加強(qiáng)氧氣的曝氣作用，同時(shí)又要避免微氣泡產(chǎn)生過(guò)程中高剪切力造成的絮凝團(tuán)破壞，影響水處理效果。目前在水處理工業(yè)主要使用三種微氣泡發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生微氣泡，即溶氣-釋氣式[22]、微孔曝氣式[23]和電解式[24]微氣泡發(fā)生器，而旋流式[32]微氣泡發(fā)生器在水處理領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用研究。

1.1 溶氣-釋氣式

溶氣-釋氣法是產(chǎn)生大量且尺寸均勻微氣泡的有效方法之一，相比于其他微氣泡發(fā)生器，溶氣-釋氣式微氣泡發(fā)生器對(duì)于水處理過(guò)程中增強(qiáng)氧氣的曝氣作用具有一定的優(yōu)越性。溶氣-釋氣式微氣泡發(fā)生器原理如圖1所示，這類發(fā)生器是將氣體在高壓條件下溶解于液相當(dāng)中形成氣相的過(guò)飽和溶液，在經(jīng)過(guò)發(fā)生器出口噴嘴時(shí)，過(guò)飽和溶液中的氣相因?yàn)閴毫档蜁?huì)以微氣泡的形式析出。

圖1 溶氣-釋氣式微氣泡發(fā)生器[7]

氣體的溶解量和噴嘴結(jié)構(gòu)是影響溶氣-釋氣法產(chǎn)生微氣泡效果的兩個(gè)重要因素。氣體的溶解量主要影響產(chǎn)生微氣泡的數(shù)量和直徑，Maeda 等[14]研究發(fā)現(xiàn)溶氣-釋氣法產(chǎn)生的微氣泡數(shù)量和微氣泡直徑隨溶解氣體濃度的增加而增加。噴嘴結(jié)構(gòu)則會(huì)影響空化作用，進(jìn)而改變微氣泡的尺寸，Kim 等[33]將噴嘴結(jié)構(gòu)改為破碎盤式噴嘴出口，在氣體通過(guò)噴嘴產(chǎn)生微氣泡后，微氣泡與破碎盤碰撞，進(jìn)一步減小了微氣泡的尺寸。Yamashita 等[34]使用多孔陶瓷膜作為加壓容器的噴嘴，與未改進(jìn)的情況相比，微氣泡的數(shù)量提升了39%。

目前溶氣-釋氣法在工業(yè)廢水處理和含油污水處理過(guò)程中應(yīng)用占比較大，李軍令[35]改進(jìn)的原油脫鹽工藝，將離心技術(shù)和溶氣-釋氣式微氣泡發(fā)生器結(jié)合能夠產(chǎn)生粒徑分布為5～30μm的微氣泡，原油除油率和除渣率分別可以達(dá)到73.60%和71.66%，化學(xué)需氧量（COD）能夠降低32.7%。但是溶氣-釋氣法產(chǎn)生微氣泡的過(guò)程能耗較大、微氣泡體系氣含率較低，同時(shí)存在高壓環(huán)境，對(duì)設(shè)備和管線的承壓能力都有一定的要求。

1.2 微孔曝氣式

近年來(lái)隨著多孔膜技術(shù)的發(fā)展，微孔曝氣式微氣泡發(fā)生器在水處理過(guò)程中也得到了大量應(yīng)用。與其他微氣泡生成方式相比，多孔膜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備要求低。根據(jù)氣泡形成的動(dòng)力學(xué)原理，在多孔膜表面微氣泡形成和釋放的力主要包括將微氣泡保持在孔隙的表面張力、微氣泡的浮力以及作用在微氣泡頂部的氣相慣性力，當(dāng)浮力和慣性力克服表面張力時(shí)，微氣泡從膜表面脫落。

多孔膜制備微氣泡的優(yōu)點(diǎn)主要是可以通過(guò)控制多孔膜的膜孔徑來(lái)控制生成微氣泡的尺寸，Melich等[36]研究表明隨著膜孔徑的減小，生成的微氣泡尺寸減小、尺寸分布增加。膜材料的種類也是影響微氣泡尺寸的因素之一，SPG膜和陶瓷膜是生成微氣泡的兩種常用多孔膜材料，Kukizaki[37]對(duì)比了SPG膜和陶瓷膜生成微氣泡的尺寸，發(fā)現(xiàn)利用陶瓷膜生成的微氣泡尺寸大于使用SPG 膜產(chǎn)生的微氣泡尺寸。

由于膜孔之間的距離無(wú)法精確控制，孔隙排列太緊密會(huì)導(dǎo)致相鄰氣泡之間的聚并，Kukizaki 等[38]發(fā)現(xiàn)表面活性劑的加入可以有效抑制微氣泡的聚并，同時(shí)在十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和Tween 20 兩種表面活性劑存在下產(chǎn)生了平均直徑分別為35.6μm和43.0μm的微氣泡。此外還有流體振蕩[39-40]和液相剪切[18,28]兩種方式來(lái)抑制微氣泡的聚并，減小微孔膜產(chǎn)生的微氣泡尺寸，其中液相剪切是減小微氣泡尺寸最常用的方式。

液相剪切是通過(guò)較高流速的液流剪切膜上正在生成的氣泡，通過(guò)提供足夠的慣性力來(lái)使氣泡脫離膜表面[28]，其過(guò)程如圖2所示，液相剪切由于操作簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于多孔膜微氣泡生成過(guò)程中。為了進(jìn)一步增強(qiáng)作用在膜表面的液相剪切力，Xie等[18]通過(guò)在膜組件中插入螺旋內(nèi)構(gòu)件的方式，進(jìn)一步增加了迪恩渦的產(chǎn)生，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下連續(xù)制備了直徑為64～87μm的微氣泡。

圖2 基于液相剪切流動(dòng)的陶瓷膜式微氣泡發(fā)生器

Liu 等[41]采用SPG 膜生成微氣泡，促進(jìn)了廢水處理中好氧生物的生長(zhǎng)，在穩(wěn)定條件下SPG膜基于面積的COD 去除能力能夠控制在6.69kg/(m2·d)。Zhang 等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)條件下，使用SPG 膜生成微氣泡處理合成城市廢水時(shí)，COD 和氨去除效率分別為91.7%和53.9%。

但是在污水處理過(guò)程中，膜孔道容易堵塞，需要經(jīng)常更換或清洗多孔膜結(jié)構(gòu)，因此多孔膜結(jié)構(gòu)在水處理過(guò)程的應(yīng)用中也存在一定的局限性。

1.3 電解式

電解法能夠產(chǎn)生尺寸分布范圍較窄的微氣泡群，作為一種簡(jiǎn)單、綠色的微氣泡生成方法，電解法制備微氣泡是強(qiáng)化水處理效果的一條重要途徑。電解法強(qiáng)化污水處理過(guò)程主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，電解廢水的過(guò)程中電極表面會(huì)生成氧氣、氯氣等強(qiáng)氧化性氣體，對(duì)水中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行氧化分解；另一方面是電解產(chǎn)生的金屬離子能夠吸收水中的懸浮顆粒形成絮凝體，在微氣泡的帶動(dòng)下脫離水體，達(dá)到凈化水體的目的。

電解法生成微氣泡的過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段微氣泡在電極表面成核，第二個(gè)階段是微氣泡脫離電極表面之后的繼續(xù)生長(zhǎng)[43]。電解法生成微氣泡的顯著優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)控制電流的方式控制微氣泡的生成[44]，Coey 等[45]使用透明鉑陰極電解酸化水時(shí)，產(chǎn)生了半徑為2～10μm的微氣泡。

電解質(zhì)濃度、電極電壓、電流密度和電極形狀等都對(duì)電極附近微氣泡的生成有較大的影響。Tanaka等[46]發(fā)現(xiàn)微氣泡的聚并受電解質(zhì)溶液濃度的影響，溶液濃度的增大會(huì)抑制微氣泡的聚并現(xiàn)象。Yu 等[47]設(shè)計(jì)了一種新型的錐形親氧電極，通過(guò)高效和定向的運(yùn)輸，提高了氫微氣泡的產(chǎn)生速率。

電解水產(chǎn)生的微氣泡數(shù)量較少、能源消耗較大，同時(shí)需要經(jīng)常清洗電極以保證電解的強(qiáng)度，因此電解法更適用于小規(guī)模的水處理過(guò)程。

1.4 旋流式

液相旋流式微氣泡發(fā)生器是一種高效的微氣泡發(fā)生裝置，可以連續(xù)不斷產(chǎn)生微氣泡，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，與孔口型微氣泡發(fā)生器相比，旋流型微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的微氣泡尺寸更小、分布更均勻。目前液相旋流微氣泡發(fā)生器主要分為兩類：一是依靠液體加壓后，通過(guò)切向入口進(jìn)入反應(yīng)器產(chǎn)生旋流；二是通過(guò)添加旋流內(nèi)構(gòu)件的方式實(shí)現(xiàn)旋流效果。

切向旋流微氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，液體切向進(jìn)入發(fā)生器后，會(huì)在旋流中心產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓作用下氣體可以自動(dòng)吸入發(fā)生器，在高速旋轉(zhuǎn)液體的剪切和破碎作用下產(chǎn)生微氣泡。Alam等[13]設(shè)計(jì)的旋流微氣泡發(fā)生器在空氣流量為0.25L/min和1L/min時(shí)，成功生成了平均半徑為25μm的微氣泡。

圖3 切向旋流式微氣泡發(fā)生器[48]

在反應(yīng)器內(nèi)部添加靜態(tài)旋流器同樣可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生微氣泡需要的旋流效果，如圖4所示，這種方式是將靜態(tài)旋流器固定在反應(yīng)器內(nèi)壁上，從旋流器的中心注入氣體，旋流器產(chǎn)生的旋流與氣柱碰撞，在高剪切力下產(chǎn)生微氣泡。Kim 等[32]通過(guò)添加內(nèi)構(gòu)件的方式生成了尺寸良好的微氣泡，并通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用旋流式微氣泡發(fā)生器時(shí)，其直接接觸膜蒸餾體系的性能更加顯著，水蒸氣的滲透通量提高了37%。

圖4 添加內(nèi)構(gòu)件型旋流式微氣泡發(fā)生器[32]

旋流式微氣泡發(fā)生器的氣泡產(chǎn)生效果與液體流量（QL）、氣體流量（QG）以及發(fā)生器的幾何構(gòu)造有重要的關(guān)系。通常情況下，液體流量越大、氣體流量越小會(huì)產(chǎn)生平均直徑越小的微氣泡，Xu 等[49]的研究表明，對(duì)于一個(gè)特定的旋流微氣泡發(fā)生器，存在一個(gè)最優(yōu)的出口直徑，產(chǎn)生所需微氣泡直徑同時(shí)也可以減少能源消耗。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了達(dá)到較好的氣泡破碎效果，旋流式發(fā)生器內(nèi)部存在較高的液相剪切力，會(huì)破壞水處理過(guò)程中產(chǎn)生的絮凝體，因此旋流式微氣泡發(fā)生器主要作用于增強(qiáng)水處理過(guò)程中的曝氣過(guò)程。

2 生物和醫(yī)學(xué)

微氣泡在生物反應(yīng)器中的作用主要是增強(qiáng)曝氣效果，加快微生物的生長(zhǎng)繁殖、增加產(chǎn)物量。Zhang 等[25]成功利用攪拌式微氣泡發(fā)生器促進(jìn)畢赤酵母發(fā)酵生產(chǎn)人血清白蛋白；隨著多孔膜技術(shù)的發(fā)展，多孔膜技術(shù)在生物反應(yīng)器中得到了應(yīng)用，宋艷梅[50]使用膜片式微孔曝氣器生成二氧化碳微氣泡，強(qiáng)化了微藻的固碳作用；Zimmerman 等[51]將振蕩射流式微氣泡發(fā)生器應(yīng)用于氣升式循環(huán)生物反應(yīng)器，減少了多孔膜式微氣泡發(fā)生器氣泡聚并問(wèn)題的發(fā)生。生物反應(yīng)器要求微氣泡發(fā)生器有適度剪切力、良好的微氣泡發(fā)生效果和較低的能耗水平，常見(jiàn)的發(fā)生器類型主要有機(jī)械攪拌式、振蕩射流式和噴射器陣列式三種類型。

微氣泡技術(shù)在超聲造影劑[52]、藥物運(yùn)輸介質(zhì)[53]以及藥物研發(fā)[54]等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的作用已經(jīng)得到了廣泛研究，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用過(guò)程中，藥物和氧氣輸送的理想氣泡尺寸一般<10μm[55]。微流控技術(shù)能夠連續(xù)產(chǎn)生尺寸可控、高分散性的微氣泡，是生產(chǎn)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域微氣泡的理想技術(shù)[56]。

2.1 機(jī)械攪拌式

機(jī)械攪拌式微氣泡發(fā)生器主要依靠電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力將大氣泡破碎成小氣泡。Zhang等[25]和Weber等[57]在研究中使用了機(jī)械攪拌（其結(jié)構(gòu)如圖5所示）的方式產(chǎn)生微氣泡用于微生物的培養(yǎng)，他們的裝置由一個(gè)通過(guò)軸承支撐軸與高速電機(jī)相連的不銹鋼圓盤組成。當(dāng)圓盤以4000r/min 旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠形成局部剪切區(qū)，氣體被泵入剪切區(qū)，可以產(chǎn)生尺寸分布范圍為20～1000μm微氣泡，根據(jù)Weber 等[57]的研究，與常規(guī)氣泡相比，在通過(guò)機(jī)械攪拌產(chǎn)生微氣泡的方式強(qiáng)化里氏木霉微氣泡發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶的過(guò)程中，傳質(zhì)系數(shù)提高了5倍，細(xì)胞質(zhì)量生產(chǎn)力提高了近2倍。機(jī)械攪拌式微氣泡發(fā)生器耦合生物反應(yīng)器需要控制適當(dāng)?shù)募羟辛σ员苊鈱?duì)微生物造成破壞。

圖5 攪拌式微氣泡發(fā)生器[25]

2.2 振蕩射流式

振蕩射流是減小多孔膜表面微氣泡聚并的有效方式之一，由于膜孔之間的距離無(wú)法精確控制，孔隙排列太緊密會(huì)導(dǎo)致相鄰氣泡之間的合并，在生成微氣泡時(shí)發(fā)生氣泡聚并的現(xiàn)象。流體振蕩通過(guò)采用流體振蕩器（圖6）使氣相產(chǎn)生壓力波動(dòng)，氣泡在振蕩氣流的慣性力作用下從孔隙中噴出，減小了微氣泡之間的聚并，產(chǎn)生數(shù)量更多、尺寸更小的微氣泡。Rehman 等[58]使用振蕩射流式微氣泡發(fā)生器在液相流量為40～100L/min 的條件下，生成的微氣泡尺寸大部分分布在80～120μm 之間。Zimmerman等[51]在氣升式循環(huán)生物反應(yīng)器中加入振蕩射流式微氣泡發(fā)生器，測(cè)試了鋼鐵廠廢氣中生長(zhǎng)微藻的可行性，結(jié)果表明，藻類生物量穩(wěn)定增長(zhǎng)，存活率達(dá)到了100%。Hanotu 等[59]使用配有流體振蕩器的氣升式生物反應(yīng)器培養(yǎng)酵母，在微氣泡鼓泡條件下，酵母細(xì)胞產(chǎn)量達(dá)到了0.31mg/h，6h后的平均生長(zhǎng)產(chǎn)量增加了18%。

圖6 流體振蕩器結(jié)構(gòu)[58]

2.3 噴射器陣列式

噴射器陣列式的微氣泡發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，該裝置首先通過(guò)八爪型分布器產(chǎn)生5～7mm的氣泡，大氣泡具有較大的終端速度，會(huì)逆著液相流動(dòng)方向向上運(yùn)動(dòng)。發(fā)生器的頂部裝有孔徑較小的篩板，液相通過(guò)小孔后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勁的射流，將上升的大氣泡擊碎，形成微氣泡，由于微氣泡的終端速度較小，在液相的攜帶作用下從反應(yīng)器底部流出。Turney等[15]利用射流陣列式結(jié)構(gòu)生成了氣泡尺寸為230～600μm的微氣泡、氣含率為35%～55%，該微氣泡發(fā)生器的傳質(zhì)系數(shù)（kLa）達(dá)到了0.83s-1。Hernandez-Alvarado 等[61]設(shè)計(jì)的射流式微氣泡發(fā)生器可以產(chǎn)生氣泡尺寸在500～900μm 的微氣泡，氣含率可以達(dá)到10%～60%。

圖7 噴射器陣列式[60]

2.4 微流控技術(shù)

與傳統(tǒng)微氣泡產(chǎn)生方式相比，微流控裝置是產(chǎn)生穩(wěn)定單分散微氣泡的有效手段。微流控裝置生成微氣泡的結(jié)構(gòu)主要包括三種，即T型流、流動(dòng)聚焦和共軸流，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 微流控技術(shù)[63]

T 型結(jié)構(gòu)微氣泡的形成機(jī)理主要分為三類。①無(wú)限破裂機(jī)制：氣泡的形成主要受液相的局部剪切應(yīng)力控制。②限制破裂機(jī)制：由氣體堵塞引起的液相堵塞，使得液相上游壓力增加，對(duì)氣相進(jìn)行擠壓破碎，形成微氣泡。③部分破裂機(jī)制：氣體被通道部分限流，破碎過(guò)程受擠壓壓力和剪切力共同作用。流動(dòng)聚焦過(guò)程中氣相受到通道壁面和液相的共同作用，導(dǎo)致氣體流線隨時(shí)間線性坍塌，在坍塌過(guò)程中形成微氣泡。在共軸流中，氣體在液流中通過(guò)微米噴嘴注入，液流與噴嘴平行流動(dòng)，在液體流動(dòng)施加的黏性應(yīng)力作用下，與噴嘴相適應(yīng)的氣泡在噴嘴后方形成，氣體可以在微通道中進(jìn)行拉伸和壓縮[62]。無(wú)論何種微流控裝置，微氣泡的形成都是由于氣液界面的不穩(wěn)定性引起的。

微通道內(nèi)氣泡的形成和破裂主要受到氣液流速、微通道結(jié)構(gòu)、流體表面張力、黏度和流變性能等物性參數(shù)的影響[63]。微流控技術(shù)生成的微氣泡直徑可以通過(guò)輸入流量和壓力條件來(lái)控制[64]，Jiang等[65]使用流動(dòng)聚焦方法，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體壓力和液體流速生成了尺寸在2～7μm 的微氣泡；相關(guān)研究表明通過(guò)微流控技術(shù)和電場(chǎng)相結(jié)合的方式可以顯著減小微氣泡的尺寸[66-67]。

隨著微流控技術(shù)的發(fā)展，階梯乳化微流控方法[68]作為一種新興的微氣泡生成方法得到了研究者的關(guān)注。階梯乳化微流控方法的原理是依靠微裝置的空間限制，在分散相前后兩端形成速度差，從而使分散相能夠?qū)崿F(xiàn)自發(fā)的掐斷過(guò)程，而不再依賴于連續(xù)相的剪切和擠壓作用。

3 礦物浮選

礦物浮選是一種利用氣泡和顆粒界面性質(zhì)差異實(shí)現(xiàn)不同價(jià)值礦物分離的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程，其主要過(guò)程是通過(guò)顆粒與氣泡之間的碰撞、黏附實(shí)現(xiàn)的。在礦物浮選的過(guò)程中，通過(guò)加入微氣泡的方式增加氣泡與目標(biāo)礦物之間的碰撞與黏附作用，能夠起到強(qiáng)化浮選效果的作用。在礦物浮選過(guò)程中主要選擇射流式微氣泡發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生微氣泡，文獻(xiàn)中也有關(guān)于微孔曝氣式微氣泡發(fā)生器用于礦物浮選過(guò)程的報(bào)道[28]。

射流微氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，微氣泡的生成效果理想，能夠很好地耦合浮選設(shè)備，射流微氣泡發(fā)生器主要由噴嘴、吸入室、進(jìn)氣管、喉管和擴(kuò)散管組成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。射流微氣泡發(fā)生器的基本原理是：加壓液體通過(guò)噴嘴噴入后形成高速射流，在氣室中形成負(fù)壓，空氣被吸入后與液體射流混合，氣體在喉管的高湍流環(huán)境下被破碎成微氣泡。射流微氣泡發(fā)生器可以生成較高氣含率的微氣泡體系，Tian等[70]探究了不同操作參數(shù)條件下氣含率的變化，發(fā)現(xiàn)在液體流量為2.799m3/h、氣體流量為0.554L/s 的條件下，氣含率可以達(dá)到27.36%，而氣泡直徑分布在370μm左右。

圖9 射流式微氣泡發(fā)生器[69]

喉管長(zhǎng)度是影響射流微氣泡發(fā)生器性能的主要因素，惠恒雷等[71]分析了微氣泡在不同喉嘴距條件下的尺寸變化情況，最終確定了射流微氣泡發(fā)生器的最優(yōu)喉嘴距范圍為1～2倍的噴嘴出口直徑長(zhǎng)度。

礦物浮選過(guò)程中氣泡尺寸是影響浮選效果最重要的因素，同時(shí)為了保證較好的浮選效果，微氣泡浮選過(guò)程不適合在強(qiáng)湍流條件下進(jìn)行，這一條件也限制了浮選過(guò)程中對(duì)于微氣泡發(fā)生器的選擇。射流微氣泡浮選柱[26]和旋流-靜態(tài)微氣泡浮選柱[72]因其優(yōu)異的浮選效果，成為礦物浮選過(guò)程中常用的兩種浮選設(shè)備，這兩種設(shè)備都采用了射流結(jié)構(gòu)來(lái)生成微氣泡。艾光華等[73]使用旋流-靜態(tài)浮選柱回收微細(xì)粒黑鎢礦，與傳統(tǒng)浮選機(jī)相比，獲得的精礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠提高10.43%，回收率能夠提高2.15%。秦華江等[74]采用旋流-靜態(tài)浮選柱回收尾礦中的鉬元素，能夠獲得鉬品位31.096%，回收率62.71%的鉬精礦產(chǎn)品。

4 化工過(guò)程

目前對(duì)于微氣泡強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程已經(jīng)有了大量研究。魯志強(qiáng)等[75]的研究表明微氣泡能夠加速鼓泡塔內(nèi)氣液相之間的傳質(zhì)速率；田洪舟等[76]發(fā)現(xiàn)在微氣泡存在下，漿態(tài)床中氫氣的傳質(zhì)速率提升了20～50倍；吳夢(mèng)思等[77]通過(guò)模擬計(jì)算了尺寸為5mm的常規(guī)氣泡和尺寸為500μm 的微氣泡在柴油加氫過(guò)程中的傳質(zhì)效果，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣泡尺寸減小到500μm 時(shí)，體積傳質(zhì)系數(shù)增加了約29 倍，產(chǎn)品硫含量大幅度降低；Janajreh 等[30]利用超聲/聲壓法產(chǎn)生微氣泡加快了酯交換過(guò)程，促進(jìn)生物柴油的生產(chǎn)；張志炳教授團(tuán)隊(duì)[78-80]對(duì)微氣泡強(qiáng)化化工過(guò)程進(jìn)行了探索，針對(duì)不同工業(yè)體系，提出了一系列微氣泡發(fā)生方式和微氣泡調(diào)控方法；張曉國(guó)等[81]報(bào)道了選擇性管式液相加氫（FITS）技術(shù)生產(chǎn)噴氣燃料工藝，利用氫氣微氣泡不斷補(bǔ)充反應(yīng)液相中的溶解氫，該項(xiàng)技術(shù)具有流程簡(jiǎn)單、氫耗低及能耗低等特點(diǎn)，產(chǎn)品中堿氮脫除率達(dá)到了50%，硫醇硫脫除達(dá)到了94%，脫酸率達(dá)到了99%；謝清峰等[82]報(bào)道的FITS 技術(shù)，其在進(jìn)行重整油加氫脫烯烴工藝時(shí)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，全餾分重整生成油的溴指數(shù)小于300mg/100g，二甲苯的溴指數(shù)小于10mg/100g，顯示了微氣泡良好的強(qiáng)化傳質(zhì)性能。此外，微孔曝氣式微氣泡發(fā)生器在間甲基苯甲酸合成研究中也得到了應(yīng)用[31]。在化工方向應(yīng)用的報(bào)道中，文丘里管式和超聲/聲壓式是兩類常見(jiàn)的已公開(kāi)的發(fā)生器類型。

4.1 文丘里管式

文丘里管式微氣泡發(fā)生器主要由收縮段、喉管和發(fā)散段三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖10 所示。該類發(fā)生器在喉管位置處液體流速增加，導(dǎo)致壓力減小，氣體通過(guò)自吸效應(yīng)進(jìn)入發(fā)生器，隨后氣相在液相的帶動(dòng)下進(jìn)入到發(fā)散段，隨著液體流速減小、壓力回升，在液相的剪切破碎作用下產(chǎn)生微氣泡。Feng等[84]設(shè)計(jì)的文丘里管式微氣泡發(fā)生器能夠產(chǎn)生平均直徑為230～600μm的氣泡。

圖10 文丘里管式微氣泡發(fā)生器[83]

文丘里管式微氣泡發(fā)生器的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)微氣泡的生成效果具有重要影響，研究表明文丘里管的發(fā)散角度是影響微氣泡發(fā)生性能最重要的因素。Li等[83]考察了文丘里管的注氣孔直徑、注氣孔數(shù)以及發(fā)散角三個(gè)參數(shù)對(duì)微氣泡尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)注氣孔的直徑和數(shù)量只影響初始?xì)馀莩叽?，而發(fā)散角對(duì)最終生成的微氣泡尺寸影響最明顯。此外，氣體的進(jìn)氣方式對(duì)微氣泡尺寸也有一定的影響。曹俊雅等[85]研究了錯(cuò)流、并流和逆流三種進(jìn)氣方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明并流進(jìn)氣方式下氣泡脫離時(shí)間更短，生成的微氣泡尺寸更?。欢?guó)棟等[86]和顏攀等[87]研究了注氣孔位置對(duì)微氣泡生成的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注氣孔在喉管位置時(shí)產(chǎn)生的微氣泡尺寸最小，但是當(dāng)注氣孔位于進(jìn)水管上游位置時(shí)，微氣泡的生成效率更高。

根據(jù)文丘里管式微氣泡發(fā)生器的原理，相關(guān)研究者設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)更加緊湊的Sadatomi式微氣泡發(fā)生器和孔口型微氣泡發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)分別如圖11 和圖12 所示。在液體流量為25L/min、氣體流量為0.24L/min的條件下，Sadatomi式微氣泡發(fā)生器可以產(chǎn)生直徑為120μm 的微氣泡[88]；在氣體流量為0.1L/min、液體流量為0.6L/min 時(shí)，孔口型微氣泡發(fā)生器能夠生成氣泡直徑集中在200μm 附近的氣泡群[89]。

圖11 Sadatomi式微氣泡發(fā)生器[88]

圖12 孔口型微氣泡發(fā)生器[89]

陳強(qiáng)等[90]設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)化鼓泡床加氫反應(yīng)器氣液傳質(zhì)的裝置，采用文丘里管式微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生微氣泡，顯著降低了裝置的操作壓力，提高了加氫過(guò)程中氣液固之間的傳質(zhì)效率。王喜彬等[91]使用文丘里管式微氣泡發(fā)生器提高了懸浮床加氫效率，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用文丘里管式微氣泡發(fā)生器的條件下反應(yīng)總壓減小了3MPa，輕油收率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）增加了2%，甲苯不溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了1.09%。李方[92]設(shè)計(jì)了一種含有文丘里管式微氣泡發(fā)生器的懸浮床加氫裝置，該裝置能夠提高輕油收率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）2%～5%，同時(shí)顯著降低甲苯不溶物的產(chǎn)率。

4.2 超聲/聲壓式

生物柴油作為一種替代能源得到了研究者們的廣泛關(guān)注，但是目前生物柴油的生產(chǎn)仍然面臨許多困難，其中酯交換過(guò)程是影響生物柴油生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟，為了能夠加快酯交換的過(guò)程，提高生物柴油的生產(chǎn)效率，相關(guān)學(xué)者提出利用超聲法產(chǎn)生微氣泡以加快酯交換反應(yīng)過(guò)程[30]。超聲波產(chǎn)生微氣泡的原理有空化假說(shuō)和毛細(xì)管假說(shuō)兩種?？栈僬f(shuō)認(rèn)為當(dāng)超聲波作用于液體時(shí)，液體內(nèi)出現(xiàn)局部拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來(lái)溶于液體的氣體過(guò)飽和，從液體逸出，形成小氣泡；毛細(xì)管假說(shuō)認(rèn)為，空化是由超聲場(chǎng)中的毛細(xì)管波的破碎而發(fā)生的?？栈僬f(shuō)常應(yīng)用于高頻區(qū)（>100kHz），而毛細(xì)管假說(shuō)則應(yīng)用于低頻區(qū)（<100kHz）。Makuta 等[93]在超聲頻率為18.77kHz 的條件下，產(chǎn)生了直徑均勻的12μm 微氣泡。超聲/聲壓法可以產(chǎn)生氣泡尺寸較小、分布較窄的微氣泡群，但是該方法產(chǎn)生微氣泡數(shù)量較少、設(shè)備成本較高、能耗較大。

微氣泡強(qiáng)化傳質(zhì)最突出的優(yōu)勢(shì)在于可以提高氣液相界面積進(jìn)而提升體積傳質(zhì)系數(shù)kLa，相界面積與氣泡尺寸、氣含率有關(guān)。表2總結(jié)了傳質(zhì)強(qiáng)化相關(guān)研究中氣泡尺寸、氣含率范圍和能達(dá)到的最大體積傳質(zhì)系數(shù)。從表2可以看出，若將氣泡尺寸嚴(yán)格控制在100μm 范圍內(nèi)則很難達(dá)到較高的氣含率（因?yàn)橥ǔＪ窃谳^低的氣液比下才能穩(wěn)定產(chǎn)生微氣泡），而當(dāng)氣泡尺寸不局限于微氣泡所定義的尺寸（1～100μm）時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)增大氣液比來(lái)提高氣含率，此時(shí)能達(dá)到更大的氣液相界面積，進(jìn)一步提高體積傳質(zhì)系數(shù)。因此將微氣泡技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程中時(shí)，需要兼顧氣泡尺寸和氣含率對(duì)傳質(zhì)速率的影響。

表2 傳質(zhì)強(qiáng)化效果相關(guān)研究總結(jié)

此外，化工過(guò)程所使用的微氣泡發(fā)生器還要充分考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，如含微孔結(jié)構(gòu)的微氣泡發(fā)生方式不適用于含有固體雜質(zhì)或易結(jié)垢的體系，否則會(huì)造成發(fā)生器堵塞問(wèn)題，降低設(shè)備運(yùn)行周期；另外，還需要綜合考慮微氣泡發(fā)生器自身的能耗，需要在發(fā)生器引入的能耗和傳質(zhì)強(qiáng)化帶來(lái)的收益之間達(dá)到平衡。綜上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的微氣泡發(fā)生器更加適用于條件苛刻的化工過(guò)程。

5 適用于多領(lǐng)域的耦合式微氣泡發(fā)生器

單一的微氣泡生成方式很難產(chǎn)生尺寸均勻、分布范圍較小的微氣泡群，或者難以在較寬的操作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能，將多種微氣泡生成方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的耦合式微氣泡發(fā)生器是當(dāng)下微氣泡發(fā)生器的重要研究方向之一。傳統(tǒng)文丘里管式微氣泡發(fā)生器生成的微氣泡尺寸較大、氣含率較低，但是文丘里管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易與其他方式相結(jié)合，因此被大量應(yīng)用于耦合式微氣泡發(fā)生器的開(kāi)發(fā)中。此外，還有機(jī)械攪拌和溶氣-釋氣法相結(jié)合[97]以及超聲法和微流控技術(shù)相結(jié)合[98]的耦合式微氣泡發(fā)生器。

Wang 等[99]設(shè)計(jì)了旋流式與文丘里管式相結(jié)合的微氣泡發(fā)生器，如圖13 所示。從氣泡生成效率和傳質(zhì)效率兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)文丘里管式微氣泡發(fā)生器和新型旋流文丘里管式微氣泡發(fā)生器進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，新型旋流文丘里管式微氣泡發(fā)生器可以生成比傳統(tǒng)文丘里管式微氣泡發(fā)生器尺寸更小的微氣泡，體積傳質(zhì)系數(shù)也大于傳統(tǒng)的文丘里管式微氣泡發(fā)生器。

圖13 旋流-文丘里管式微氣泡發(fā)生器[99]

丁國(guó)棟等[100]將微孔布?xì)饨Y(jié)構(gòu)、液相旋流和文丘里結(jié)構(gòu)三種技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種軸向旋流式氣泡發(fā)生器，如圖14 所示。與常規(guī)文丘里管式微氣泡發(fā)生器對(duì)比，該發(fā)生器喉管處的表觀液速明顯增大，徑向速度梯度、湍動(dòng)能和湍流耗散率更高，即氣泡受到的剪切破碎作用更強(qiáng)，產(chǎn)生的氣泡尺寸更小。

圖14 軸向旋流式微氣泡發(fā)生器[100]

6 結(jié)語(yǔ)與展望

本文主要介紹了微氣泡強(qiáng)化技術(shù)在化工、水處理、浮選過(guò)程和生物反應(yīng)器中的應(yīng)用，總結(jié)了近年來(lái)微氣泡發(fā)生器的研究進(jìn)展。微氣泡發(fā)生器的種類繁多，各種發(fā)生器的氣泡生成原理也有所不同，且影響微氣泡尺寸的因素眾多，因此在工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中要根據(jù)具體使用環(huán)境和生產(chǎn)需求，選擇合適的微氣泡發(fā)生器以達(dá)到最優(yōu)的強(qiáng)化效果。

（1）在水處理過(guò)程中，溶氣-釋氣式、微孔曝氣式、電解式和旋流式微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的微氣泡尺寸相對(duì)較小，但是溶氣-釋氣式產(chǎn)生的微氣泡體系氣含率較低；微孔曝氣式要考慮膜組件使用壽命問(wèn)題，需要不斷更換多孔膜，以保證水處理效率；電解過(guò)程產(chǎn)生微氣泡能耗較高；旋流式微氣泡發(fā)生器在某些含有絮凝體的水處理過(guò)程中不適用。

（2）在耦合生物反應(yīng)器過(guò)程中，機(jī)械攪拌式、噴射器陣列式和振蕩射流式微氣泡發(fā)生器具有低剪切力、低能耗、高氣泡生成率的特點(diǎn)，在耦合生物反應(yīng)器方面已經(jīng)得到了大量的研究應(yīng)用，研發(fā)具有更低剪切力的微氣泡發(fā)生器對(duì)于提升生物反應(yīng)器的生產(chǎn)效果具有重要意義。

（3）在浮選過(guò)程中，射流式微氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于射流微氣泡浮選柱和旋流-靜態(tài)微氣泡浮選柱設(shè)備中。

（4）在化工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、微氣泡產(chǎn)生效率高的文丘里管式微氣泡發(fā)生器更能適用于多樣的液體環(huán)境；超聲/聲壓式微氣泡發(fā)生器能夠產(chǎn)生尺寸分布較窄的微氣泡，盡管在實(shí)驗(yàn)室條件下已經(jīng)驗(yàn)證了其優(yōu)異的強(qiáng)化傳質(zhì)效果，但是在工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中還需要考慮其設(shè)備成本和能耗問(wèn)題。

（5）結(jié)合多種微氣泡發(fā)生器優(yōu)點(diǎn)的耦合式微氣泡發(fā)生器，可以彌補(bǔ)單一微氣泡發(fā)生裝置的不足，進(jìn)一步增強(qiáng)微氣泡的生成效果，生成尺寸和分布范圍較小的微氣泡群，相比于單一原理的微氣泡發(fā)生器，對(duì)于耦合式微氣泡發(fā)生器的研究具有更加廣闊的發(fā)展前景。

目前，不同應(yīng)用領(lǐng)域利用微氣泡優(yōu)勢(shì)的側(cè)重點(diǎn)以及所受應(yīng)用條件的限制有所不同，因此不同領(lǐng)域重點(diǎn)利用的微氣泡發(fā)生原理也有所不同。在對(duì)微氣泡發(fā)生器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，其應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用方式是首先需要考慮的重點(diǎn)因素，在此基礎(chǔ)上，不斷提升微氣泡發(fā)生器的處理量、可操作的氣液比范圍以及微氣泡產(chǎn)生效率，仍是今后需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有微氣泡發(fā)生器存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加緊湊、能耗小、生產(chǎn)成本低、氣泡產(chǎn)生效率更高的微氣泡發(fā)生器，是微氣泡發(fā)生器研究的重要方向。