常用微纳米气泡发生装置及其优缺点比较

常用微纳米气泡发生装置及其优缺点比较
 

        微纳米气泡的出现及其不同于普通气泡的特点，使其在水处理等领域显现出优良的技术优势和应用前景。本文重点阐述了微纳米气泡发生装置及其发生机理，提出开发结构简单、能耗更低、性能更优的发生装置是微纳米气泡技术未来研究的重点。

        根据微纳米气泡产生的不同机制可将现有的微纳米气泡产生方式分为分散空气法、溶气释气法、超声空化法、电解法、化学法等。超声空化法是利用超声波引起的压力变化使液体内部产生空化，从而产生微纳米气泡。化学法则是投加化学药品，利用其化学反应生成微纳米气泡。电解法利用水或其他物质电解产生微纳米气泡。上述3 种方法一般适用于所需气泡的数量较少、尺寸精度要求较高的领域，如高精度传递、船舶减阻等。在对气泡需求量较大且直径范围要求不高的水处理应用中溶气释气法和分散空气法则很为常用，详细介绍见下图。

        传统溶气释气法主要由3 部分组成: 即压力溶气系统、溶气释放系统、气浮分离系统。虽被广泛应用于气浮技术中，但仍存在一定不足，如能源利用不合理，产生微气泡不连续且效率较低。该方法主要有以下两方面的演进: 一是在保留原有先加压溶气后减压释气的理念，提高气液两相气压差和降低气液两相界面张力。Féris L A 通过投加表面活性剂可以将溶气罐的操作压力从3 MPa 降低到2 MPa，显著降低33%。二是舍弃原有先溶气后释气的理念，而是直接采取叶轮组件直接散气产生微气泡，或压力溶气技术与叶轮散气技术相结合，这一理念促使了微纳米气泡泵的出现。

        分散空气法主要是通过高速旋流、水力剪切等方式制造极端条件，把空气反复剪切破碎，混合在水体中以产生大量的微纳米气泡。高速旋流法很先由日本提出，我国学者基于高速旋流的原理，重新设计优化了微纳米装置，可大量且高效地产生气泡，气泡直径范围缩小到5 nm ～ 20 μm。过流断面渐缩突扩使气液混合流体经过反复的收缩、扩散、撞击、反流、挤压和旋流很终产生微纳米气泡，文丘里管、多次穿孔、卡门涡街等类型的微纳米气泡发生装置均是基于上述原理。对于微多孔结构，很先出现的装置是扩散盘，压缩气体通过多孔板上的微孔进入水体，为了使从微孔产生的气泡尽可能的小，扩散盘通过旋转的方式产生剪切力使气泡破碎至合适的尺寸。徐振华等提出多孔管制造微气泡，利用金属微孔管内外压差提供推动力，推动管内气体从微孔管上的微孔流出，在管外壁形成微气泡，再通过管外高速流过的剪切流将气泡带走，产生的气泡直径为20 ～70 μm。吴胜军等研究了孔径更小、分布更均匀的陶瓷微孔膜管制造微气泡，结果发现陶瓷微孔膜管无论从产生气泡的性能，还是物化性能方面均优于金属微孔膜管。近年来，一种采用SPG 膜作为气－ 液分散介质的微纳米气泡产生方法得到人们的关注。

        虽然微纳米气泡在水体修复中的优势明显，现有微纳米气泡发生装置亦可大量产生微纳米气泡，但其在水处理领域的应用中并非十分普遍。相比传统的曝气设备( 鼓风曝气、机械曝气) ，微纳米气泡装置在结构构造、运行能耗、稳定性方面还存在不足，如装置加工比较困难，曝气头易堵塞，部分装置对气液混合流体速度要求高等问题。开发出结构简单、功耗较低、性能优良的发生装置是微纳米气泡技术应用中亟待解决的问题。

未来展望

1) 微纳米气泡所表现出的特性远远超出了人们对传统气泡的认识，对气泡的应用不再仅局限在减小气泡直径来增加溶氧效率，而是更广泛地探究微纳米气泡更多的潜在特性，如强化臭氧化，促进生物活性等，强调微纳米气泡装置与其他技术联用，使得微纳米气泡在水处理领域的应用前景更加广阔。

2) 现有微纳米气泡发生装置的工作原理不同，使用时对装置选择要有针对性，过流断面渐缩突扩的微纳米气泡发生装置，充氧量调节幅度不大，水量水质变化幅度较大时不宜采用，而在既需提高溶解氧又需对水体进行混合搅拌的领域具有较大优势。

3) 对于微纳米气泡发生装置，其性能仍需优化，流体数值计算模拟可以考察流动的细微结构以及发展过程，可进一步提高对微纳米气泡发生机理的认识，有利于提出高效很优的方案，所以需加强对微纳米气泡发生装置的数值计算模拟。