图中的液体就是现在市面上所说的“牛奶水”,可以看到水呈现乳化状态,而导致这种状态的根本原因就是水中布满了细微的气泡。这就是最近在环保领域相当火爆的所谓微纳米曝气技术。今天,我们就来说说微纳米气泡技术的前世今生。

废水处理中的微纳米曝气技术

首先,说一说微纳米气泡的特性。

气体通入水中形成气泡是一件非常常见但是却很有意思的事情,尤其是气泡尺度不断缩小以后,气泡能够表现出一系列有趣的特性。

1,气泡的伴随性能提高

众所周知,气体的密度小于液体,当气泡出现在水中的时候,由于浮力的作用气泡会缓慢上升直到升到水面。科学研究表明,气泡尺寸越大受到的浮力就越强,气泡上升速度越快。在理论上可以通过斯托克斯公式进行计算。但是但气泡尺寸减小的时候,气泡上升速度明显减慢,甚至可以在水中停留数分钟之久。气泡停留时间长了,与液体间的接触就更加充分,此外还对气泡的伴随性能有显著的提高。

气泡在液体中的运动分为两种,一种是气泡的上浮,由密度差导致。另外一种就是气泡随着液体的流动,也就是液体对气泡有曳力。一般情况下,气泡体积较大,前一种运动占据主导。但前面说了,气泡体积减小后前一种作用力减弱,后一种作用力占据主导地位。这就表现为微纳米气泡很容易随着水流流动。

2,气泡比表面积增加

气泡体积越小,单位体积气泡面积就越高,10微米的气泡与1毫米的气泡相比较,在一定体积下前者的比外表积是后者的100倍。空气和水的触摸面积就增加了100倍,我们知道对于任何传质过程来说,比表面积越大传质过程越迅速,二者是成正比的,因此对于气体吸收与气体溶解过程,前者比后者快100倍。在水处理中可以用于生化处理的曝气与臭氧氧化等通气过程。

3,气泡内压增大

为了形成气泡,气泡在水中需要满足一个平衡关系,那就是气泡内压力必须等于水压与水对气泡表面张力产生的补充压力。而这个压力与气泡直径呈现反相关,气泡越小表面张力产生的补充压力越大。在气泡尺寸较大的情况下,水压远大于补充压力,但是随着气泡减小后者明显增大。这导致在一些情况下,微气泡内部的压力可以达到几十个大气压。当然在微气泡维持正常形态的时候这种压力得不到释放没有任何问题。可是一旦微气泡收到剪切破裂会溃灭,这种压力瞬间释放可以形成超高速的微射流和局部的超高温。一个众所周知的例子就是所谓泵的空蚀,如果水泵中存在微小气泡由于这种效应就会导致泵叶片的损坏。但是对于废水处理这却有可能是一种有利的效应。有一种理论认为,这样的局部高温高压条件可以将污染物的分子链打断,达到降解有机物甚至杀灭水中细菌的目的。

由于微气泡破裂导致的严重腐蚀

4,对水中颗粒物油状物夹带作用增强

通常我们可以采用气浮的方法去除水中的颗粒物与油状物,这种原理类似于夹带,气泡与颗粒物结合,裹挟着颗粒物上升到达水面。而气泡越细微,颗粒物就更容易与气泡亲和,同时气泡越小可以夹带的颗粒物越小,可以浮选更多物质,因此微气泡气浮可以达到更好的去除效果,这一原理目前已经在环保领域得到应用。

5,其他特性

此外还有文献报道微气泡有其他的特性,比如说带有表面电荷等等,目前来看这些特性还没有得到确切的证实。从目前的实验结果来看,采用微气泡进行废水处理主要还是利用气浮原理,同时可以增加水体内溶氧有利于生化过程或者其他气液混合过程。而微气泡溃灭过程中产生的局部高温与局部高压,目前来看没有证据证明其可以处理水中的有机物。理论上是可行的,也有一些实验研究证实这一点,可是重新分析这些实验数据以后,我认为目前的研究数据都不太可靠,这一机理目前还只是噱头。个人认为,实际上在废水处理过程中,微气泡可以发生但没有溃灭条件,因此难以利用这一特点处理废水。

最后说一说微气泡是如何发生的,首先定性一点,就是目前所有的气体分布装置均无法产生微气泡,这是由于常规气体分布装置开孔都在毫米级,实验室可以得到最小的气体分布装置,气分布口尺度都在百微米级,这个尺寸的气泡由于气泡聚并的原因,小气泡会自发形成大气泡,最后得到毫米等级的气泡。此外还有射流混合,即利用文丘里管进行气液混合,相关研究表明在不添加发泡剂的情况下,虽然文丘里管喉管内的气泡何以达到几十微米,但是在扩散段仍不可避免的发生气泡合并现象。

目前市面上常见的微纳米气泡发生器均属于高剪切发生器,采用动态或静态的高速剪切装置,将气液混合物内的气泡切碎,由于这些构件的强大剪切力,可以将气泡切碎至几十纳米到几微米,最终形成微纳米气泡。这种方式能耗较大,但却是现有唯一发生微气泡的方法。

最后录个视频,是我们自己开发的微气泡发生装置。高流量预警,建议wifi下观看。

https://www.zhihu.com/video/983539552375390208

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:知乎用户(登录查看详情)

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