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企業(yè)資料通過(guò)認(rèn)證 納米氣泡技術(shù)不只是一個(gè)技術(shù)，也存在理論的問(wèn)題，過(guò)去許多年理論上認(rèn)為納米氣泡不可能在溶液中長(zhǎng)時(shí)間存在，因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)理論，氣泡體積越小，因?yàn)楸砻鎻埩υ斐傻膬?nèi)部壓力越大，這種壓力計(jì)算值可以達(dá)到非常巨大，而根據(jù)氣體溶解亨利定律，壓力越大溶解量越大，溶解速度越快，因此隨著氣泡體積縮小，氣泡的壽命會(huì)指數(shù)下降，但是實(shí)際情況并不是這樣，納米氣泡能在溶液中長(zhǎng)時(shí)間存在，給這種技術(shù)的應(yīng)用提供了重要支持。但是氣泡長(zhǎng)時(shí)間存在的理論解釋仍然不完善。
納米氣泡本質(zhì)上是一種高效氣體溶解技術(shù)，不僅能提高溶解速度，也能有效提高氣體的表觀溶解度。這正是氣體生物學(xué)效應(yīng)的重要基礎(chǔ)。
一、微納米氣泡技術(shù)的發(fā)展歷史
早在19世紀(jì)，研究者們就已經(jīng)利用流體力學(xué)和物理學(xué)開(kāi)始了對(duì)于毫米級(jí)氣泡在液體中生成、上升過(guò)程的研究。上個(gè)世紀(jì)50年代，在化工領(lǐng)域開(kāi)始了對(duì)氣泡和液滴的研究。其后，兩相流（氣液、液液）特別是氣液分散相的基礎(chǔ)現(xiàn)象的研究成果，極大地促進(jìn)了化工機(jī)械的大/規(guī)模應(yīng)用。氣泡的微細(xì)化是化學(xué)工業(yè)中促進(jìn)物質(zhì)移動(dòng)，增進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度的關(guān)鍵技術(shù)，但在當(dāng)時(shí)尚未出現(xiàn)能夠應(yīng)用于化工領(lǐng)域的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)和手段。
微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是20世紀(jì)90年代后期產(chǎn)生的，21世紀(jì)初在日本得到了蓬勃的發(fā)展，其制造方法包括旋回剪切、加壓溶解、電化學(xué)、微孔加壓、混合射流等方式，均可在一定條件下產(chǎn)生微納米級(jí)的氣泡。
二、微納米氣泡的定義
通常我們把氣體在液體中的存在現(xiàn)象稱作氣泡。氣泡的形成現(xiàn)象，在自然界中的許多過(guò)程中都能遇到，當(dāng)氣體在液體中受到剪切力的作用時(shí)就會(huì)形成大小、形狀各不相同的氣泡。目前，對(duì)氣泡的分類與定義并不是十分嚴(yán)格，按照從大到小的順序可分為厘米氣泡（CMB）、毫米氣泡（MMB）、微米氣泡（MB）、微納米氣泡（MNB）、納米氣泡（NB）。所謂的微納米氣泡，是指氣泡發(fā)生時(shí)直徑在10微米左右到數(shù)百納米之間的氣泡，這種氣泡是介于微米氣泡和納米氣泡之間，具有常規(guī)氣泡所不具備的物理與化學(xué)特性。
三、微納米氣泡的特性
1.比表面積大
氣泡的體積和表面積的關(guān)系可以通過(guò)公式表示。氣泡的體積公式為V=4π/3r3，氣泡的表面積公式為A=4πr2，兩公式合并可得A=3V/r，即V總=n•A=3V總/r。也就是說(shuō)，在總體積不變（V不變）的情況下，氣泡總的表面積與單個(gè)氣泡的直徑成反比。根據(jù)公式，10微米的氣泡與1毫米的氣泡相比較，在一定體積下前者的比表面積理論上是后者的100倍。空氣和水的接觸面積就增加了100倍，各種反應(yīng)速度也增加了100倍。
2.上升速度慢
根據(jù)斯托克斯定律，氣泡在水中的上升速度與氣泡直徑的平方成正比。氣泡直徑越小則氣泡的上升速度越慢。從氣泡上升速度與氣泡直徑的關(guān)系圖可知，氣泡直徑1mm的氣泡在水中上升的速度為6m/min，而直徑10μm的氣泡在水中的上升速度為3mm/min，后者是前者的1/2000。如果考慮到比表面積的增加，微納米氣泡的溶解能力比一般空氣增加20萬(wàn)倍。
3.自身增壓溶解
水中的氣泡四周存有氣液界面，而氣液界面的存在使得氣泡會(huì)受到水的表面張力的作用。對(duì)于具有球形界面的氣泡，表面張力能壓縮氣泡內(nèi)的氣體，從而使更多的氣泡內(nèi)的氣體溶解到水中。
根據(jù)楊-拉普拉斯方程， ?P=2σ/r,?P代表壓力上升的數(shù)值，σ代表表面張力，r代表氣泡半徑。直徑在0.1mm以上的氣泡所受壓力很小可以忽略，而直徑10μm的微小氣泡 會(huì)受到0.3個(gè)大氣壓的壓力，而直徑1μm的氣泡會(huì)受高達(dá)3個(gè)大氣壓的壓力。微納米氣泡在水中的溶解是一個(gè)氣泡逐漸縮小的過(guò)程，壓力的上升會(huì)增加氣體的溶解速度，伴隨著比表面積的增加，氣泡縮小的速度會(huì)變的越來(lái)越快，從而最終溶解到水中，理論上氣泡即將消失時(shí)的所受壓力為無(wú)限大。
4.表面帶電
純水溶液是由水分子以及少量電離生成的H+和OH-組成，氣泡在水中形成的氣液界面具有容易接受H+和OH-的特點(diǎn)，而且通常陽(yáng)離子比陰離子更容易離開(kāi)氣液界面，而使界面常帶有負(fù)電荷。已經(jīng)帶上電荷的表面傾向于吸附介質(zhì)中的反離子，特別是高價(jià)的反離子，從而形成穩(wěn)定的雙電層。微氣泡的表面電荷產(chǎn)生的電勢(shì)差常利用ζ電位來(lái)表征，ζ電位是決定氣泡界面吸附性能的重要因素。當(dāng)微納米氣泡在水中收縮時(shí)，電荷離子在非常狹小的氣泡界面上得到了快速濃縮富集，表現(xiàn)為ζ電位的顯著增加，到氣泡破裂前在界面處可形成非常高的ζ電位值。
5.產(chǎn)生大量自由基
微氣泡破裂瞬間，由于氣液界面消失的劇烈變化，界面上集聚的高濃度離子將積蓄的化學(xué)能一下子釋放出來(lái)，此時(shí)可激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自由基。羥基自由基具有超高的氧化還原電位，其產(chǎn)生的超強(qiáng)氧化作用可降解水中正常條件下難以氧化分解的污染物如苯酚等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的凈化作用。
6.傳質(zhì)效率高
氣液傳質(zhì)是許多化學(xué)和生化工藝的限速步驟。研究表明，氣液傳質(zhì)速率和效率與氣泡直徑成反比，微氣泡直徑極小，在傳質(zhì)過(guò)程中比傳統(tǒng)氣泡具有明顯優(yōu)勢(shì)。當(dāng)氣泡直徑較小時(shí)，微氣泡界面處的表面張力對(duì)氣泡特性的影響表現(xiàn)得較為顯著。這時(shí)表面張力對(duì)內(nèi)部氣體產(chǎn)生了壓縮作用，使得微氣泡在上升過(guò)程中不斷收縮并表現(xiàn)出自身增壓效應(yīng)。從理論上看，隨著氣泡直徑的無(wú)限縮小，氣泡界面的比表面積也隨之無(wú)限增大，最終由于自身增壓效應(yīng)可導(dǎo)致內(nèi)部氣壓增大到無(wú)限大。因此，微氣泡在其體積收縮過(guò)程中，由于比表面積及內(nèi)部氣壓地不斷增大，使得更多的氣體穿過(guò)氣泡界面溶解到水中，且隨著氣泡直徑的減小表面張力的作用效果也越來(lái)越明顯，最終內(nèi)部壓力達(dá)到一定極限值而導(dǎo)致氣泡界面破裂消失。因此，微氣泡在收縮過(guò)程中的這種自身增壓特性，可使氣液 界面處傳質(zhì)效率得到持續(xù)增強(qiáng)，并且這種特性使得微氣泡即使在水體中氣體含量達(dá)到過(guò)飽和條件時(shí)，仍可繼續(xù)進(jìn)行氣體的傳質(zhì)過(guò)程并保持高效的傳質(zhì)效率。
7.氣體溶解率高
微納米氣泡具有上升速度慢、自身增壓溶解的特點(diǎn)，使得微納米氣泡在緩慢的上升過(guò)程中逐步縮小成納米級(jí)，最后消減湮滅溶入水中，從而能夠大大提高氣體（空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳等）在水中的溶解度。對(duì)于普通氣泡，氣體的溶解度往往受環(huán)境壓力的影響和限制存在飽和溶解度。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，氣體的溶解度很難達(dá)到飽和溶解度以上。而微納米氣泡由于其內(nèi)部的壓力高于環(huán)境壓力，使得以大氣壓為假定條件計(jì)算的氣體過(guò)飽和溶解條件得以打破。
四、微納米氣泡的應(yīng)用
1.水產(chǎn)養(yǎng)殖
在工廠化漁業(yè)的養(yǎng)殖上，特別是未來(lái)漁業(yè)的陸基養(yǎng)殖技術(shù)，大多是往高密度的集約化方向發(fā)展，在這種環(huán)境下，水體中高度溶氧的控制對(duì)魚(yú)的健康及生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的一環(huán)，采用超細(xì)微泡技術(shù)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的增氧方式，將是一項(xiàng)革命性的創(chuàng)新，可以大大提高魚(yú)的活性與產(chǎn)量，是養(yǎng)殖業(yè)走向工廠化的有力保障，并且微納米氣泡具有刺激生物生長(zhǎng)及增強(qiáng)免疫力的效果。
在日本廣島的牡蠣養(yǎng)殖場(chǎng)中的試驗(yàn)證明，微納米氣泡可以促進(jìn)牡蠣血液循環(huán)，提高生長(zhǎng)速度，并增強(qiáng)免疫力，降低養(yǎng)殖成本。在日本的愛(ài)知萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)上由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所展示的淡水魚(yú)與海水魚(yú)的混合高密度養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)中采用了微納米氣泡技術(shù)，結(jié)果在鹽分濃度為1%的含有微納米純氧水的水槽中可將鯉魚(yú)和鯛混合養(yǎng)殖。鯛是對(duì)鹽分的變化非常敏感的海水魚(yú)，鯉魚(yú)是淡水魚(yú)，如果在沒(méi)有微納米氣泡存在的條件下，這兩種魚(yú)都是很難在1%的鹽水中生存的。
2.洗浴保健
微納米氣泡?。核腥绻写罅康奈⒓{米氣泡，就會(huì)降低水的透明度，顏色像牛奶一樣發(fā)白，故微納米氣泡浴又稱牛奶浴。水中的氣泡從零開(kāi)始增大至微米級(jí)氣泡而破滅，產(chǎn)生的低音頻率具有去除污垢的效果，同時(shí)低音頻率更具有刺激腦內(nèi)啡的產(chǎn)生，令人有鎮(zhèn)靜與愉悅的感覺(jué)。此外，如果水中含有以氧氣產(chǎn)生的超微氧氣泡，當(dāng)身體浸泡在這種含高氧量的水中，可以滋養(yǎng)皮膚、延緩老化，達(dá)到高氧療法之功效。并且沒(méi)有任何添加劑，符合現(xiàn)代人對(duì)環(huán)保及健康生活的要求。
3.生態(tài)修復(fù)
研究發(fā)現(xiàn)富含微納米氧氣氣泡的水對(duì)動(dòng)植物都具有促進(jìn)生物活性的作用。這是由于微納米氣泡在水中存在時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)部承載氣體釋放到水中的過(guò)程較慢，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)承載氣體的充分利用，提供充足的活性氧以促進(jìn)水中生物的新陳代謝活性。向污染的缺氧水域中鼓入微納米氣泡時(shí)，隨著氣泡內(nèi)溶解氧的消耗不斷向水中補(bǔ)充活性氧，可增強(qiáng)水中好氧微生物、浮游生物以及水生動(dòng)物的生物活性，加速其對(duì)水體及底泥中污染物的生物降解過(guò)程，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目的。
4.污水處理
微納米氣泡是直徑小于50微米的極細(xì)微氣泡，微納米氣泡在水中上升速度慢、停留時(shí)間長(zhǎng)、溶解效率高，并具備自增氧、帶負(fù)電荷和富含強(qiáng)氧化性的自由基等特性。這些特點(diǎn)使得微納米氣泡在水處理上具有廣泛的應(yīng)用前景。
懸浮物的吸附去除。微納米氣泡不僅表面電荷產(chǎn)生的電位高，而且比表面積很大，因此將微納米技術(shù)與混凝工藝聯(lián)用在廢水預(yù)處理中，對(duì)懸浮物和油類表現(xiàn)出了良好的吸附效果與高效的去除率，對(duì)COD、氨氮及總磷也具有較好的去除效果。
難降解有機(jī)污染物的強(qiáng)化分解。微納米氣泡破裂時(shí)釋放出的羥基自由基，可氧化分解很多有機(jī)污染物，目前在難降解廢水處理與污泥處理方面，已表現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用前景。為了促使微納米氣泡在水中能夠產(chǎn)生更多的羥基自由基，常采用其它強(qiáng)氧化手段進(jìn)行協(xié)同作用，如紫外線、純氧以及臭氧等強(qiáng)氧化手段，以更好地發(fā)揮對(duì)廢水中有機(jī)污染物的氧化分解作用。