納米氣泡發(fā)生原理的應(yīng)用分析

摘 要 綜述了基于水力空化、超聲空化、壓力變化以及電化學(xué)等常見(jiàn)發(fā)生原理產(chǎn)生納米氣泡的理化參數(shù)，重點(diǎn)闡述了相應(yīng)納米氣泡發(fā)生原理的應(yīng)用研究近況，總結(jié)了不同應(yīng)用領(lǐng)域下最適用的納米氣泡發(fā)生原理。同時(shí)提及了具有應(yīng)用前景的新型納米氣泡發(fā)生原理，如激光誘導(dǎo)法等。通過(guò)分析不同納米氣泡發(fā)生原理的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，提出應(yīng)將納米氣泡的發(fā)生和應(yīng)用作為未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。

關(guān)鍵詞 納米氣泡 納米氣泡特性 納米氣泡發(fā)生原理 納米氣泡應(yīng)用

中圖分類號(hào) TQ016.5" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2025）02?0215?10

納米氣泡（Nanobubble）又稱超細(xì)氣泡，2017年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）將其定義為直徑小于1 μm的充氣氣泡[1]。相較于尺寸較大的微氣泡，納米氣泡具有獨(dú)特的理化特性，如高穩(wěn)定性、高傳質(zhì)效率、表面疏水性等[2～5]。其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在污水處理、礦物浮選、農(nóng)作物培植、食品加工等領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)成熟，潛在應(yīng)用拓展迅速[6～11]。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)氣泡的理化特性要求不同，針對(duì)性地開(kāi)發(fā)納米氣泡發(fā)生設(shè)備更有利于該技術(shù)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。

不同原理的發(fā)生器所產(chǎn)生的氣泡粒徑、濃度和適用氣體不同。MICHAILIDI E D等利用文丘里管結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了一種能持續(xù)運(yùn)行的新型納米氣泡發(fā)生器，該發(fā)生器能夠產(chǎn)生尺寸在500 nm左右的氧氣納米氣泡，能夠持續(xù)為農(nóng)作物供氧[12];YADAV G等利用電解反應(yīng)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的納米氣泡電解發(fā)生器，該發(fā)生器能夠產(chǎn)生高濃度的粒徑為200 nm左右的納米氣泡，在制備氫健康飲用水過(guò)程中，該氣泡提高了氫水氫濃度和氫氣溶存期[13];XU W等利用壓縮減壓法開(kāi)發(fā)了一種小型納米氣泡發(fā)生器，該發(fā)生器能夠產(chǎn)生100～200 nm較高濃度的氮?dú)狻㈦礆饧{米氣泡，輔助醫(yī)療作用顯著[14]。

針對(duì)不同應(yīng)用需求，如何選擇最適宜的氣泡發(fā)生原理至關(guān)重要[6，15～17]。雖已有不少的學(xué)者研究了不同發(fā)生原理產(chǎn)生納米氣泡的理化特性，但少有人論及其相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。因此文中首先綜述了近幾年來(lái)不同發(fā)生原理產(chǎn)生納米氣泡的理化特性，然后根據(jù)不同發(fā)生原理產(chǎn)生納米氣泡的特點(diǎn)及不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)馀莸男枨螅M(jìn)一步歸納總結(jié)出適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的納米氣泡的發(fā)生原理，推動(dòng)納米氣泡發(fā)生技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。合適的納米氣泡發(fā)生原理能夠?yàn)榧{米氣泡發(fā)生技術(shù)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)及水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的基礎(chǔ)，為解決各種現(xiàn)實(shí)問(wèn)題提供更多有效的途徑。

1 水力空化發(fā)生原理及應(yīng)用領(lǐng)域

水力空化[18，19]即通過(guò)改變流體的流速來(lái)引起壓力變化，進(jìn)而產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，它通常由文丘里管結(jié)構(gòu)、湍流或者剪切應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)?；谒栈陌l(fā)生器能產(chǎn)生1 μm以下的納米氣泡，濃度高達(dá)108個(gè)/mL，這些氣泡均具有較高的傳質(zhì)效率和穩(wěn)定性，但利用不同實(shí)現(xiàn)方式的水力空化產(chǎn)生的氣泡特性有所不同，這導(dǎo)致了不同應(yīng)用領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)水力空化的方式存在著差別。通過(guò)不同的發(fā)生方式，水力空化發(fā)生原理可適用于污水處理、礦物浮選、農(nóng)作物培植、食品加工以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

1.1 污水處理

在污水處理的過(guò)程中，納米氣泡的高氣液傳質(zhì)效率和高穩(wěn)定性都起著關(guān)鍵的作用。高氣液傳質(zhì)效率能夠提高曝氣等需氧處理過(guò)程中的溶氧度，高穩(wěn)定性能夠減少污水處理中供氧設(shè)備的能耗[20～22]。以文丘里管、剪切應(yīng)力或者湍流等方式實(shí)現(xiàn)水力空化的發(fā)生器均有應(yīng)用于污水處理中。

LI T等開(kāi)發(fā)了一種以文丘里型氣泡發(fā)生器為基礎(chǔ)的納米氣泡發(fā)生器[23]。該發(fā)生器以一根不銹鋼管連接了帶有流量計(jì)的循環(huán)水泵和帶有壓力表的儲(chǔ)氣罐。主要的工作原理即在循環(huán)水泵的驅(qū)動(dòng)下，液體會(huì)以一定的速度通過(guò)文丘里管喉口，隨液體的流速和壓力的突變，壓入氣體會(huì)與液體劇烈混合，形成過(guò)飽和的氣液混合物，由此產(chǎn)生納米氣泡。該發(fā)生器通過(guò)驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵進(jìn)行不同次數(shù)的循環(huán)來(lái)產(chǎn)生合適尺寸的納米氣泡，整個(gè)發(fā)生器系統(tǒng)如圖1所示。

該納米氣泡發(fā)生器能夠產(chǎn)生平均直徑為200 nm，穩(wěn)定存在超過(guò)72 h的氣泡。攜帶該氣泡的處理水比一般處理水具有更高的溶氧度，可用于污水處理工藝中氧化池的曝氣增氧。類似的，ZHOU S Q等同樣以文丘里型氣泡發(fā)生器為基礎(chǔ)，研發(fā)了一套結(jié)構(gòu)相近的納米氣泡發(fā)生器，在相近的制備時(shí)間下產(chǎn)生了濃度達(dá)1.8×108個(gè)/mL、平均直徑為200 nm的氣泡[19]。較高傳質(zhì)效率的該氣泡同樣能夠?yàn)槲鬯幚淼钠貧膺^(guò)程提供更多的溶解氧。

利用文丘里管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水力空化會(huì)使流體獲得相當(dāng)大的壓降，該實(shí)現(xiàn)方式通常需要配置一個(gè)擁有足夠動(dòng)力的泵，這會(huì)導(dǎo)致巨大的成本消耗。但文丘里管結(jié)構(gòu)中的入口、喉管和發(fā)散錐體能使得流體進(jìn)行平穩(wěn)的收縮和膨脹，產(chǎn)生尺寸緊湊、穩(wěn)定性高的氣泡，且整體過(guò)程能耗低。除常用的文丘里管結(jié)構(gòu)外，還可利用剪切應(yīng)力和湍流來(lái)實(shí)現(xiàn)水力空化。

FENG X R等利用分散空氣法（剪切應(yīng)力）制備了濃度達(dá)1.95×108個(gè)/mL、平均直徑在100～300 nm之間的納米氣泡[24]。該氣泡產(chǎn)生量大，可用于提高地下水和土壤環(huán)境中難以遷移的有機(jī)污染物的浸出效率，適用于地下水污水處理。具體發(fā)生器系統(tǒng)如圖2所示。

NODA N A等同樣利用剪切應(yīng)力制備納米氣泡，不同的是，他們改變了剪切單元，設(shè)計(jì)了具有蜂窩結(jié)構(gòu)的納米氣泡發(fā)生器，在同一時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)蜂窩單元的流體會(huì)產(chǎn)生顯著的壓降和剪切應(yīng)力，進(jìn)而在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量包含高納米氣泡濃度的水流[25]。該發(fā)生器相比FENG X R等研制的納米氣泡發(fā)生器產(chǎn)生了流量更大、濃度更高的納米氣泡，其產(chǎn)生濃度高達(dá)4.5×108個(gè)/mL，平均直徑在100～300 nm之間。這些氣泡可用于對(duì)大量流動(dòng)的污水水源進(jìn)行處理。納米氣泡發(fā)生器中蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

利用剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)水力空化會(huì)造成流體壓力的急劇變化，并不利于產(chǎn)生尺寸緊湊的納米氣泡，但是其相比文丘里管簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使得利用該方式的發(fā)生器成本低，較易投入，能產(chǎn)生更多的氣泡量。

湍流同樣也是水力空化產(chǎn)生氣泡的一種方式。ALAM H S等改變了水流進(jìn)入納米氣泡發(fā)生器的方式，開(kāi)發(fā)了一種帶有雙室旋流噴嘴的納米氣泡發(fā)生器，該發(fā)生器可在純水中生成大量直徑小于200 nm的具有高穩(wěn)定性的納米氣泡，這些氣泡能穩(wěn)定存在長(zhǎng)達(dá)半年，持續(xù)作用于難以處理的污水水源[26]。

利用湍流方式實(shí)現(xiàn)水力空化會(huì)加快流體的切向速度，利用該方式的發(fā)生器由于切割葉片部分存在更多的磨損而需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)，但相比剪切應(yīng)力方式能產(chǎn)生量大且穩(wěn)定的納米氣泡。

基于以上的研究，平均直徑在100～200 nm之間、濃度達(dá)108個(gè)/mL的納米氣泡顯然更適用于污水處理，而利用文丘里管、剪切應(yīng)力以及湍流等各種發(fā)生方式的納米氣泡發(fā)生器，均可以產(chǎn)生在該直徑和濃度范圍內(nèi)的納米氣泡。故發(fā)生方式多樣的水力空化原理，適用于為實(shí)際應(yīng)用需求復(fù)雜的污水處理提供滿足要求的納米氣泡。

1.2 礦物浮選

在礦物浮選中，高濃度納米氣泡的表面疏水性可通過(guò)疏水吸引力來(lái)增強(qiáng)同礦物粒子間的吸引力，從而起到強(qiáng)化浮選的效果[27，28]。適用于礦物浮選的擁有良好表面疏水性的納米氣泡，其直徑至少需要達(dá)500 nm以上，且產(chǎn)生量不宜過(guò)少。利用湍流方式實(shí)現(xiàn)水力空化能產(chǎn)生足夠量的用于礦物浮選的納米氣泡，且通過(guò)調(diào)整該方式所用葉片角度和大小，可產(chǎn)生滿足尺寸需求的納米氣泡。故以湍流方式實(shí)現(xiàn)的水力空化原理適用于礦物浮選領(lǐng)域。

WU M等利用湍流來(lái)實(shí)現(xiàn)水力空化，創(chuàng)新性地為發(fā)生器配備了變螺距螺旋空化反應(yīng)器，開(kāi)發(fā)了一種旋流式納米氣泡發(fā)生器[29]。該反應(yīng)器由射流裝置和變螺距螺旋空化反應(yīng)器組成。氣體從氣體入口進(jìn)入射流裝置，在流動(dòng)液體的作用下產(chǎn)生初始?xì)馀?，氣液混合物在進(jìn)入變螺距螺旋空化反應(yīng)器后，由于流動(dòng)液體所誘導(dǎo)的湍流，初始?xì)馀菥蜁?huì)被剪切成若干納米氣泡。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該反應(yīng)器能夠產(chǎn)生旋流液流，強(qiáng)化氣液之間的接觸混合，產(chǎn)生大量平均直徑為900 nm的納米氣泡。這些氣泡能充分地提高與礦物粒子之間的吸引力，適用于礦物浮選。

1.3 農(nóng)作物培植

在農(nóng)作物培植中，納米氣泡的高氣液傳質(zhì)效率和高穩(wěn)定性同樣起著至關(guān)重要的作用。比起通常的灌溉用水，具有高氣液傳質(zhì)效率的納米氣泡水能夠?yàn)檗r(nóng)作物提供更多的氧氣，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，高穩(wěn)定性使得納米氣泡水能長(zhǎng)期保存，滿足農(nóng)作物的培植周期[30，31]。故適用于農(nóng)作物培植的納米氣泡最好具有長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的穩(wěn)定性，平均直徑能保持1 μm以下。利用文丘里管結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)水力空化可以產(chǎn)生足量尺寸緊湊、穩(wěn)定性高的納米氣泡，且使用期間維護(hù)費(fèi)用低廉，故以文丘里管結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)方式的水力空化原理適用于農(nóng)作物培植領(lǐng)域。

MICHAILIDI E D等研制的新型低能耗、連續(xù)運(yùn)行的納米氣泡發(fā)生器[12]與ZHOU S Q等所開(kāi)發(fā)的納米氣泡發(fā)生器類似，都以文丘里管發(fā)生器為原型，但該發(fā)生器改進(jìn)了內(nèi)壁的粗糙度，影響了流體的壓力變化。該發(fā)生器能夠產(chǎn)生平均直徑為500 nm的納米氣泡，且該氣泡能穩(wěn)定存在3個(gè)月，滿足農(nóng)作物的培植周期，相比一般灌溉用水也能提供更多的氧氣，適用于農(nóng)作物培植。

1.4 食品加工

在食品加工中，納米氣泡的高比表面積更加重要，較小的氣泡尺寸與高傳質(zhì)效率能夠使液體調(diào)味品迅速滲透進(jìn)食品內(nèi)[3]。利用剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)水力空化的發(fā)生器成本低廉，可量產(chǎn)，且產(chǎn)生氣泡量大，易滿足食品調(diào)味需求。

PHAN K K T等利用剪切應(yīng)力開(kāi)發(fā)了一種二氧化碳納米氣泡發(fā)生器[32]。該發(fā)生器通過(guò)高壓氣體調(diào)節(jié)器和氣體流量計(jì)控制壓入的二氧化碳?xì)怏w，再由流動(dòng)液體的剪切應(yīng)力或切割力分離膜表面開(kāi)口的納米氣泡。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在設(shè)定好的氣體壓力下，該發(fā)生器能夠產(chǎn)生大量平均直徑在200～500 nm、穩(wěn)定性超過(guò)7 d的二氧化碳納米氣泡，該氣泡能夠增強(qiáng)含氣飲料中二氧化碳的氣液傳質(zhì)效率，提升食品的口感，適用于食品加工。

類似的，DHUNGANA P和BHANDARI B利用剪切應(yīng)力開(kāi)發(fā)了一種適用于食品連續(xù)加工系統(tǒng)的納米氣泡發(fā)生器[33]。該發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與PHAN K K T等開(kāi)發(fā)的納米氣泡發(fā)生器相似，不同的是，該發(fā)生器從外部將二氧化碳和空氣的混合氣體通過(guò)商用陶瓷膜（孔徑50 nm）壓入到陶瓷膜管內(nèi)。該發(fā)生器最終能生成大量平均直徑在100～300 nm之間的二氧化碳納米氣泡，該氣泡能增強(qiáng)食品的感官品質(zhì)，改善乳制品液體的膜分離過(guò)程，適用于食品連續(xù)加工系統(tǒng)。

基于以上的研究，適用于食品加工的納米氣泡的直徑最好在500 nm以下，且擁有能夠保存數(shù)天的穩(wěn)定性，滿足食品的腌制周期。利用剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)水力空化的發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，能產(chǎn)生大量滿足食品加工需求的納米氣泡，故以剪切應(yīng)力為實(shí)現(xiàn)方式的水力空化發(fā)生原理可適用于食品加工領(lǐng)域。

1.5 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，納米氣泡的高傳質(zhì)效率使得其能夠更方便地輸送藥物，穩(wěn)定性使得其能夠長(zhǎng)時(shí)間封裝藥劑，均勻性則使得其能夠更好地進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像[34，35]。故適用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的納米氣泡最好為直徑在100～300 nm之間、具有一定穩(wěn)定性的單分散納米氣泡。微流體技術(shù)作為一種實(shí)現(xiàn)水力空化的方式，具有精準(zhǔn)控制流體、產(chǎn)生特定尺寸納米氣泡的優(yōu)點(diǎn)。相比前文提及的實(shí)現(xiàn)方式，利用微流體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水力空化能夠更精細(xì)化地產(chǎn)生所需氣泡，是應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的理想技術(shù)。故以微流體結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)方式的水力空化原理可適用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

PAKNAHAD A A等開(kāi)發(fā)了一種新型微流體納米氣泡發(fā)生器[36]。該發(fā)生器以微孔硅膜所集成的聚二甲基硅氧烷微流體芯片為主體，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該發(fā)生器能夠精細(xì)化地制備單分散的納米氣泡，通過(guò)調(diào)整輸入氣體中水溶性氣體成分和水不溶性氣體成分的比例，能夠控制產(chǎn)生納米氣泡的尺寸。利用該發(fā)生器，PAKNAHAD A A等用特定脂質(zhì)溶液產(chǎn)生了濃度達(dá)2.56×108個(gè)/mL、平均直徑在100～150 nm之間的氣泡，利用脂質(zhì)溶液產(chǎn)生的該氣泡具有一定的高穩(wěn)定性，可用于長(zhǎng)時(shí)間地封裝藥物。

基于相同的實(shí)現(xiàn)方式，XU J等開(kāi)發(fā)了擁有相似結(jié)構(gòu)的納米氣泡發(fā)生器，該發(fā)生器產(chǎn)生了濃度達(dá)108個(gè)/mL、平均直徑在100～200 nm之間的氣泡[37]。通過(guò)體外超聲成像發(fā)現(xiàn)該發(fā)生器產(chǎn)生的單分散納米氣泡相比多分散納米氣泡有更好的均勻性，增強(qiáng)了醫(yī)學(xué)成像的對(duì)比度。

2 超聲空化發(fā)生原理及應(yīng)用領(lǐng)域

超聲空化，即利用超聲波在液體中進(jìn)行傳播，借此產(chǎn)生振動(dòng)和局部負(fù)壓來(lái)產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象[18]。利用超聲空化原理產(chǎn)生納米氣泡操作簡(jiǎn)便，產(chǎn)生的氣泡尺寸緊湊，且擁有能隨時(shí)控制生成納米氣泡尺寸和濃度的各種參數(shù)。通常該原理產(chǎn)生納米氣泡的平均直徑被控制在200 nm左右，這些氣泡作用范圍小，能投入的應(yīng)用領(lǐng)域較窄，目前僅適用于養(yǎng)殖水處理等小規(guī)模的水質(zhì)處理領(lǐng)域。

在養(yǎng)殖水處理中，納米氣泡的高傳質(zhì)效率能夠?yàn)轲B(yǎng)殖水提供更多的溶解氧，高穩(wěn)定性能夠減小更換養(yǎng)殖水的頻率[38，39]。適用于養(yǎng)殖水處理的供氧納米氣泡的平均直徑最好在100～200 nm之間，且需根據(jù)養(yǎng)殖動(dòng)植物的狀況隨時(shí)調(diào)整產(chǎn)生納米氣泡量。利用超聲空化的納米氣泡發(fā)生器能在小范圍內(nèi)產(chǎn)生滿足需求的納米氣泡，且能夠方便地調(diào)整產(chǎn)生納米氣泡狀況，故超聲空化原理可適用于養(yǎng)殖水處理領(lǐng)域。

SEO H B和LEE S Y利用超聲空化原理開(kāi)發(fā)了一種新型霧化兆頻超聲空化反應(yīng)器，擴(kuò)展了產(chǎn)生納米氣泡的濃度范圍[40]。不同于一般納米氣泡發(fā)生器所使用的喇叭或者高球面波聚焦型超聲換能器[41]，SEO H B和LEE S Y選擇了用于商用加濕器霧化的盤式換能器來(lái)生成納米氣泡。盤式換能器發(fā)出的超聲波能引起氣液界面水柱的上升，產(chǎn)生霧化液滴和霧氣，并通過(guò)容器中發(fā)生的聲空化來(lái)產(chǎn)生納米氣泡，具體原理如圖7所示。

該發(fā)生器能產(chǎn)生濃度最高達(dá)2.25×109個(gè)/mL、平均尺寸為200 nm的納米氣泡。該氣泡具有極高的氣液傳質(zhì)效率，能在小范圍內(nèi)為養(yǎng)殖水提供大量的溶解氧，產(chǎn)生濃度也可隨時(shí)調(diào)整，可用于養(yǎng)殖水處理。

3 壓力變化發(fā)生原理及應(yīng)用領(lǐng)域

利用壓力變化產(chǎn)生納米氣泡是一種基于亨利定律真空脫氣原理的新技術(shù)，主要通過(guò)降低液體的壓力來(lái)使溶解氣體的溶解度降低，進(jìn)而產(chǎn)生納米氣泡[42]。利用該原理的發(fā)生器能夠產(chǎn)生高濃度的各種氣體類型的納米氣泡，且“清潔”不易受到污染，發(fā)生規(guī)模也易于擴(kuò)大。該原理產(chǎn)生氣泡的平均直徑為300 nm，濃度最高達(dá)1010個(gè)/mL，能滿足應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的需求。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中納米氣泡的性質(zhì)所起的作用、其對(duì)納米氣泡的需求都與1.5節(jié)所論述的一致，此外，其對(duì)生成不同氣體類型的納米氣泡也有一定的需求?；趬毫ψ兓淼募{米氣泡發(fā)生器可滿足用于生成高濃度的各種氣體類型的納米氣泡，這些氣泡可用于封裝藥物、醫(yī)學(xué)成像，尺寸和濃度也可控，故壓力變化原理可適用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

FERRARO G等基于亨利定律真空脫氣原理，開(kāi)發(fā)了一種新型納米氣泡發(fā)生器，通過(guò)在純水中利用密封注射器的連續(xù)多次膨脹/壓縮沖程來(lái)產(chǎn)生滿足需求量的納米氣泡[43]。為讓該技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以及擴(kuò)大納米氣泡的產(chǎn)生量，F(xiàn)ERRARO G等將注射器安裝在圓筒內(nèi)，柱塞則連接到了由電磁閥驅(qū)動(dòng)的復(fù)式活塞上，整個(gè)納米氣泡發(fā)生器系統(tǒng)如圖8所示。

該發(fā)生器能夠產(chǎn)生濃度高達(dá)4.5×108個(gè)/mL、平均直徑在100 nm左右的納米氣泡，且分別生成了氬氣、空氣、氮?dú)獾葰怏w類型的納米氣泡，這些氣泡的濃度與大小均可控，適用于輸送或者封裝藥物。

類似的，JIN J等基于相同的原理開(kāi)發(fā)了另一套結(jié)構(gòu)相似的納米氣泡發(fā)生器[44]。但他們將產(chǎn)生氣泡的容器由注射器內(nèi)換到了注射器所連接的小瓶，同時(shí)將瓶?jī)?nèi)的空氣換成了六氟化硫氣體，通過(guò)反復(fù)改變小瓶?jī)?nèi)的壓力來(lái)產(chǎn)生納米氣泡，具體產(chǎn)生流程如圖9所示。

JIN J等同F(xiàn)ERRARO G等類似，使用了電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)壓縮過(guò)程，成功地制備了平均直徑為250 nm、濃度高達(dá)1.92×1010個(gè)/mL的六氟化硫納米氣泡。由六氟化硫產(chǎn)生的該納米氣泡可用于醫(yī)學(xué)成像。

XU W等進(jìn)一步擴(kuò)大了發(fā)生規(guī)模，將產(chǎn)生氣泡的容器換到了壓力室中，通過(guò)壓縮膨脹產(chǎn)生了平均直徑約200 nm、濃度最高達(dá)2.3×108個(gè)/mL的氮?dú)?、氪氣及氧氣納米氣泡，這些氣泡可用于輸送氧氣、封裝藥物和醫(yī)學(xué)成像[14]。

借由模仿以上研究者們所開(kāi)發(fā)的發(fā)生器，ETTOUMI F E等在離子溶液中產(chǎn)生了平均直徑約100 nm、濃度在2×109個(gè)/mL的氮?dú)饧{米氣泡，相比原離子溶液，攜帶氮?dú)饧{米氣泡的離子溶液表現(xiàn)出了更優(yōu)秀的適用于提取藥劑成分的能力[45]。

4 電化學(xué)法及應(yīng)用領(lǐng)域

電化學(xué)法，即利用電解反應(yīng)在陽(yáng)極和陰極各產(chǎn)生氧氣和氫氣納米氣泡[46]?；陔娀瘜W(xué)反應(yīng)原理的發(fā)生器僅能夠產(chǎn)生尺寸在200 nm以下、濃度最高達(dá)108個(gè)/mL的氧氣和氫氣納米氣泡，而應(yīng)用氫氣納米氣泡的富氫水能有效促進(jìn)新陳代謝，保持人體健康，故可考慮將該發(fā)生原理應(yīng)用于飲用水領(lǐng)域。

在飲用水領(lǐng)域中，納米氣泡的高傳質(zhì)效率和高穩(wěn)定性能夠有效提高飲用水的含氫量，延長(zhǎng)氫水中氫氣的溶存期[47，48]。適用于生產(chǎn)氫健康飲用水的納米氣泡最好是平均直徑在300 nm以下的氫氣納米氣泡?；陔娀瘜W(xué)反應(yīng)原理的發(fā)生器正好能在小范圍內(nèi)產(chǎn)生滿足需求的氫氣納米氣泡，故電化學(xué)原理可適用于飲用水領(lǐng)域。

YADAV G等利用電解反應(yīng)簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)了一種電解納米氣泡發(fā)生器，即通過(guò)水溶液、陰極和陽(yáng)極組成水電解裝置，當(dāng)兩個(gè)電極之間產(chǎn)生外部電壓時(shí)，陰極和陽(yáng)極表面就會(huì)分別產(chǎn)生氫氣納米氣泡和氧氣納米氣泡[13]。在整個(gè)研究過(guò)程中，利用該發(fā)生器產(chǎn)生了平均直徑在100～200 nm、濃度達(dá)2×108個(gè)/mL的氫氣納米氣泡。電解法所產(chǎn)生的氫氣納米氣泡具有更高的氫氣傳質(zhì)效率和穩(wěn)定性，適用于生產(chǎn)氫水。

5 其他發(fā)生原理

除以上基于常見(jiàn)發(fā)生原理產(chǎn)生的納米氣泡及應(yīng)用外，目前仍存在著可用于產(chǎn)生納米氣泡但卻未能完全發(fā)掘其應(yīng)用潛力的新型發(fā)生原理，如激光誘導(dǎo)法等。

激光誘導(dǎo)法是一種新穎的產(chǎn)生納米氣泡的方法，當(dāng)對(duì)液體照射激光的強(qiáng)度低于激光誘導(dǎo)擊穿閾值時(shí)，就會(huì)有納米氣泡產(chǎn)生。JELENCIC"M等通過(guò)實(shí)驗(yàn)指明了激光誘導(dǎo)水中納米氣泡形成的關(guān)鍵，即水中存在的物理雜質(zhì)對(duì)光的吸收促使納米氣泡成核[49]。目前由于激光誘導(dǎo)產(chǎn)生納米氣泡的研究較新穎，基于該原理發(fā)生納米氣泡的應(yīng)用場(chǎng)景還未有更多的探索。YU S Y等雖研究了脈沖激光誘導(dǎo)金納米棒（GNR）膠體溶液來(lái)產(chǎn)生納米氣泡，但該研究的重點(diǎn)被放在了等離子體納米氣泡觸發(fā)的微氣泡上，并未詳細(xì)研究產(chǎn)生納米氣泡的表征及應(yīng)用[50]。

6 結(jié)論

6.1 基于水力空化原理發(fā)生的納米氣泡應(yīng)用領(lǐng)域最廣。以文丘里管、湍流及剪切應(yīng)力等各種方式實(shí)現(xiàn)的水力空化可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域：以文丘里管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水力空化雖然成本高，但生成納米氣泡穩(wěn)定且粒徑分布集中，可用于農(nóng)作物培植;以湍流實(shí)現(xiàn)水力空化雖然需要時(shí)常維護(hù)，但能產(chǎn)生大量穩(wěn)定的大尺寸納米氣泡，可用于礦物浮選;以剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)水力空化雖然不利于產(chǎn)生穩(wěn)定的氣泡，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，能產(chǎn)生大量的氣泡，可用于食品加工;以上3種實(shí)現(xiàn)方式均可用于污水處理。微流體作為一種新型的水力空化方式，可精準(zhǔn)地產(chǎn)生所需氣泡，是應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的理想技術(shù)。

6.2 基于超聲空化原理發(fā)生納米氣泡操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)生的納米氣泡粒徑分布窄、且能隨時(shí)調(diào)控納米氣泡的產(chǎn)生量，但應(yīng)用范圍小，僅適用于養(yǎng)殖水處理等小規(guī)模水質(zhì)處理領(lǐng)域。

6.3 基于壓力變化原理能產(chǎn)生多種氣體類型的高濃度納米氣泡，發(fā)生過(guò)程清潔不會(huì)污染發(fā)生器，這些氣泡可用于諸如藥物輸送、藥物封裝及藥劑成分提取等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

6.4 基于電化學(xué)原理能發(fā)生高濃度的氫氣納米氣泡，可專門用于生產(chǎn)氫健康水等飲用水領(lǐng)域。

6.5 部分新型發(fā)生原理雖具有產(chǎn)生納米氣泡的潛力，但其應(yīng)用領(lǐng)域卻未被完全發(fā)掘。如基于激光誘導(dǎo)原理發(fā)生納米氣泡的應(yīng)用領(lǐng)域仍處在探索階段。

6.6 目前，納米氣泡技術(shù)作為一種新穎的技術(shù)受到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。納米氣泡幾乎在各種氣液混合場(chǎng)景下都能起到一定的作用，但針對(duì)納米氣泡的實(shí)際應(yīng)用研究仍是少數(shù)。如何在特定應(yīng)用場(chǎng)景下選擇合適的納米氣泡發(fā)生原理并投入應(yīng)用，將是今后納米氣泡研究的重點(diǎn)關(guān)注方向。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ISO/TC 281.Fine bubble technology—General principles for usage and measurement of fine bubbles—Part 1：Terminology ISO 20480?1：2017[S].Geneva：International Organization for Standardization，2017.

[2] WANG Y W， WANG T X. Preparation Method and Application of Nanobubbles：A Review[J].Coatings，2023，13（9）：1510.

[3] BABU K S，AMAMCHARLA J K.Generation methods，stability，detection techniques，and applications of bulk nanobubbles in agro?food industries：A review and future perspective[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2023，63（28）：9262-9281.

[4] FAVVAS E P，KYZAS G Z，EFTHIMIADOU E K，et al.Bulk nanobubbles，generation methods and potential applications[J].Current Opinion in Colloid amp; Interface Science，2021（11）：101455.

[5] KOUNDLE P，NIRMALKAR N，MOMOTKO M，et al.Ozone nanobubble technology as a novel AOPs for pollutants degradation under high salinity conditions[J].Water Research，2024，263：122148.

[6] 翟霖曉，崔怡洲，李成祥，等.微氣泡發(fā)生器的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2024，43（1）：111-123.

[7] 孫海龍.微氣泡發(fā)生器的研究進(jìn)展[J].能源化工，2022，43（2）：39-44.

[8] FOUDAS A W， KOSHELEVA R I， FAVVAS E P，et al.Fundamentals and applications of nanobubbles：A review[J].Chemical Engineering Research and Design，2023，189：64-86.

[9] HANSEN H H W B， CHA H T，OUYANG L X，et al.Nanobubble technologies：Applications in therapy from molecular to cellular level[J].Biotechnology Advances，2023，63：108091.

[10] TAO D P .Recent advances in fundamentals and applications of nanobubble enhanced froth flotation：A review[J].Minerals Engineering，2022，183：107554.

[11] WANG X L， LI P，NING R S，et al.Mechanisms on stability of bulk nanobubble and relevant applications：A review[J]. Journal of Cleaner Production，2023，426：139153.

[12] MICHAILIDI E D，BOMIS G，VAROUTOGLOU A，et al.Bulk nanobubbles：Production and investigation of their formation/stability mechanism[J].Journal of Colloid and Interface Science，2020，564：371-380.

[13] YADAV G，NIRMALKAR N，OHL C D.Electrochemically reactive colloidal nanobubbles by water splitting[J].Journal of Colloid and Interface Science，2024，663：518-531.

[14] XU W，WANG Y，HUANG Q，et al. The generation and stability of bulk nanobubbles by compression?decompression method：The role of dissolved gas[J].Colloids and Surfaces A?Physicochemical and Engineering Aspects，2023，657：130488.

[15] ZHOU L M，WANG S，ZHANG L J，et al.Generation and stability of bulk nanobubbles：A review and perspective[J].Current Opinion in Colloid amp; Interface Science，2021，53：101439.

[16] 宋聲義，李中楊.微納米氣泡的生成機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2023（3）：31-33.

[17] 李中楊，廖國(guó)柔，詹興，等.微納米氣泡的特性表征研究[J].廣州化工，2022，50（22）：53-55.

[18] ZHENG H X，ZHENG Y，ZHU J.Recent Developments in Hydrodynamic Cavitation Reactors：Cavitation Mechanism，Reactor Design，and Applications[J].Engineering，2022，19：180-198.

[19] ZHOU S Q，NAZARI S，HASSANZADEH A，et al.The effect of preparation time and aeration rate on the properties of bulk micro?nanobubble water using hydrodynamic cavitation[J].Ultrasonics Sonochemistry，2022，84：105965.

[20] SAKR M A，MOHAMED M，MARAQA M A，et al.A critical review of the recent developments in micro?nano bubbles applications for domestic and industrial wastewater treatment[J].Alexandria Engineering Journal，2022，61（8）：6591-6612.

[21] XIAO Y，ZHOU B，TAN S Y， et al.Nanobubbles for the Mitigation of Fouling in Wastewater Distribution Systems[J].Engineering，2024，35：214-225.

[22] SENTHILKUMAR G， SANKAR S L.Implementation of Micro?Nanobubbles Technology for the Treatment of Domestic Wastewater：Experimental Study[J].Water Air and Soil Pollution，2023，234（1）：46.

[23]LI T， CUI Z， SUN J， et al.Generation of Bulk Nanobubbles by Self?Developed Venturi?Type Circulation Hydrodynamic Cavitation Device[J].Langmuir，2021，37（44）：12952-12960.

[24] FENG X R，HU J J，LIU N，et al.Response model between nanobubble preparation parameters and properties：Controllable preparation amp; its application example[J].Journal of Water Process Engineering，2024，64：105660.

[25] NODA N A， ZHAI H F，TAKATA K，et al.Flow Characteristics in a Honeycomb Structure to Design Nanobubble Generating Apparatus[J].Chemical Engineering amp; Technology，2020，43（6）：1176-1185.

[26] ALAM H S，SUTIKNO P， SOELAIMAN T A，et al.Bulk Nanobubbles：Generation using a two?chamber swirling flow nozzle and long?term stability in water[J].Journal of Flow Chemistry，2022，12（2）：161-173.

[27] 楊曉，陶東平，邵懷志，等.納米氣泡浮選技術(shù)研究進(jìn)展[J].礦產(chǎn)綜合利用，2024，45（5）：123-132.

[28] CHEN J，CHEN J，CHENG Y L.Current status of research on nanobubbles in particle flotation[J]. Physicochemical Problems of Mineral Processing，2024，60（1）：183613.

[29] WU M， SONG H Y， LIANG X，et al.Generation of micro?nano bubbles by self?developed swirl?type micro?nano bubble generator[J].Chemical Engineering and Processing?Process Intensification，2022，181：109136.

[30] JANNESARI M，CASLIN A，ENGLISH N J.Electric field?based air nanobubbles（EF?ANBs）irrigation on efficient crop cultivation with reduced fertilizer dependency[J].Journal of Environmental Management，2024，362：121228.

[31] 湯侑輯，吳榮哲，葉云翔，等.微納米氣泡技術(shù)在農(nóng)作物栽培上的應(yīng)用[J].分子植物育種，2023，21（17）：5893-5900.

[32] PHAN K K T，TRUONG T，WANG Y，et al.Formation and Stability of Carbon Dioxide Nanobubbles for Potential Applications in Food Processing[J]. Food Engineering Reviews，2021，13（1）：3-14.

[33] DHUNGANA P， BHANDARI B. Development of a contin uous membrane nanobubble generation method applicable in liquid food processing[J].International Journal of Food Science and Technology，2021，56（9）：4268-4277.

[34] NA L， FAN F. Advances in nanobubbles for cancertheranostics：Delivery， imaging and therapy[J].Biochemical Pharmacology，2024，226：116341.

[35] WEGIERAK D， COOLEY M B， PERERA R，et al.Decorrelation Time Mapping as an Analysis Tool for Nanobubble?Based Contrast Enhanced Ultrasound Imaging[J].IEEE Transactions on Medical Imaging，2024，43（6）：2370-2380.

[36] PAKNAHAD A A， ZALLOUM I O， KARSHAFIAN R，et al. High throughput microfluidic nanobubble generation by microporous membrane integration and controlled bubble shrinkage[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2024，653：277-284.

[37] XU J， SALARI A， WANG Y J，et al.Microfluidic Generation of Monodisperse Nanobubbles by Selective Gas Dissolution[J].Small，2021，17（20）：2100345.

[38] 楊文華，薛曉莉，劉永好，等.淺析微納米氣泡曝氣技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用[J].中國(guó)水產(chǎn)，2020（3）：63-67.

[39] FARID M U，CHOI P J，KHARRAZ J A，et al.Hybrid nanobubble?forward osmosis system for aquaculture wastewater treatment and reuse[J].Chemical Engineering Journal，2022，435：135164.

[40] SEO H B， LEE S Y. High?concentration nanobubble generation by megasonic cavitation and atomization[J].Colloid and Interface Science Communications，2023，52：100687.

[41] CHEN Y R，TRUONG V N T，BU X N，et al.A review of effects and applications of ultrasound in mineral flotation[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2020， 60：104739.

[42] KE S，XIAO W，QUAN N N，et al.Formation and Stability of Bulk Nanobubbles in Different Solutions[J].Langmuir，2019，35（15）：5250-5256.

[43] FERRARO G，JADHAV A J，BARIGOU M.A Henry’s law method for generating bulk nanobubbles[J].Nanoscale，2020，12（29）：15869-15879.

[44] JIN J， FENG Z Q，YANG F，et al.Bulk Nanobubbles Fabricated by Repeated Compression of Microbubbles[J].Langmuir，2019，35（12）：4238-4245.

[45] ETTOUMI F E， ZHANG R Y， BELWAL T， et al.Generation and characterization of nanobubbles in ionic liquid for a green extraction of polyphenols from Carya cathayensis Sarg[J].Food Chemistry，2022，369：130932.

[46] NAZARI S，HASSANZADEH A，HE Y Q，et al.Recent Developments in Generation，Detection and Application of Nanobubbles in Flotation[J].Minerals，2022，12（4）：462.

[47] BATAGODA J H， HEWAGE S D A A，MEEGODA J N. Nano?ozone bubbles for drinking water treatment[J].Journal of Environmental Engineering and Science，2019，14（2）：57-66.

[48] RAMESHKUMAR C，SENTHILKUMAR G，SUBALAKSHMI R.Purification of tap water to drinking water：Nanobubbles technology[J]. Desalination and Water Treatment，2021，233：11-18.

[49] JELENCIC"M，ORTHABER U，MUR J，et al. Evidence of laser?induced nanobubble formation mechanism in water[J].Ultrasonics Sonochemistry， 2023，99：106537.

[50] YU S Y， TU C H， LIAW J W，et al.Laser?Induced Plasmonic Nanobubbles and Microbubbles in Gold Nanorod Colloidal Solution[J].Nanomaterials，2022，12（7）：1154.