微納米氣泡光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

李恒震, 胡黎明

(1. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088； 2. 清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

微納米氣泡技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，在工業(yè)廢水和地表水體污染治理、生物醫(yī)藥工程、納米材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域顯示出巨大的使用潛力，引起廣泛關(guān)注[1-5]。微米氣泡直徑在1～60μm之間，納米氣泡的直徑則在200nm以下，直徑介于兩者之間的氣泡通常被稱為微納米氣泡。在水體中，毫米—厘米級(jí)宏觀氣泡將在浮力作用下迅速上升，并在水表面處破裂；而微納米氣泡則由于直徑較小，在水體中停留時(shí)間較長(zhǎng)，納米氣泡在水中甚至可存留數(shù)月。由于水氣界面張力作用，氣泡內(nèi)壓較大，其高溶解能力可為水體提供高含量的溶解氧。同時(shí)，微納米氣泡氣液界面帶負(fù)電荷，可以與特定的污染物相互作用，微納米氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的自由基和振動(dòng)波也可促進(jìn)污染物的去除。

1 微納米氣泡觀測(cè)的研究現(xiàn)狀

對(duì)微納米氣泡直接進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)是研究微納米氣泡物理性質(zhì)的重要手段。但微納米氣泡由于粒徑小、反光效果差，對(duì)觀測(cè)技術(shù)要求高，需要復(fù)雜的儀器設(shè)備[6-12]。目前針對(duì)微納米氣泡的觀測(cè)主要集中在水中的氣泡粒徑和運(yùn)動(dòng)速度。張蓉生等[13]開發(fā)了微小氣泡的測(cè)量裝置，使用鹵素光源照亮水體，通過CCD相機(jī)對(duì)氣泡成像，但是體積光源造成氣泡重影現(xiàn)象。Tian 等[14]研究了微米氣泡的可視化設(shè)備，以觀測(cè)超聲空化產(chǎn)生的水中微米氣泡的振蕩變形過程，可觀測(cè)氣泡直徑為5～100μm，并使用LED照亮整個(gè)水體，同樣存在氣泡重影現(xiàn)象。Burns[15]使用光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)觀察水體中20μm以上的氣泡，但系統(tǒng)沒有照明設(shè)備，所獲得結(jié)果精確性值得懷疑。Kitagawa等[16]使用PIV系統(tǒng)觀測(cè)水體中的微小氣泡，研究其粒徑和運(yùn)動(dòng)速度，氣泡直徑在1mm左右，由于氣泡的光反射效果差，拍攝效果并不理想。Aslan等[17]研制了新型的橢圓偏振光散射(EPLS)觀測(cè)系統(tǒng)，但儀器造價(jià)高，且觀測(cè)的氣泡在200μm以上。在多孔介質(zhì)中，觀測(cè)微納米氣泡的粒徑、運(yùn)動(dòng)速度和吸附特性的設(shè)備還未見報(bào)道。

因此，開發(fā)微納米氣泡的光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)，提高成像精確度，系統(tǒng)研究微納米氣泡在水中及多孔介質(zhì)中的粒徑、運(yùn)動(dòng)速度和吸附特性非常必要。

本研究設(shè)計(jì)了一套微納米氣泡的光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)微納米氣泡在水體中及多孔介質(zhì)中的粒徑分布、運(yùn)動(dòng)速度和吸附特性等進(jìn)行觀測(cè)，并分析其影響因素。該系統(tǒng)能觀測(cè)的微納米氣泡粒徑范圍為900nm以上。

2 系統(tǒng)組成

該微納米氣泡光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)主要由模型箱、激光器、CCD相機(jī)、顯微鏡頭、三維可調(diào)節(jié)支架及圖像處理軟件組成，見圖1。

圖1 微納米氣泡光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)

2.1 模型箱

模型箱專門為觀測(cè)水體中及多孔介質(zhì)中的微納米氣泡而設(shè)計(jì)。其外觀尺寸見圖2。

圖2 模型箱尺寸示意圖

模型箱由觀測(cè)面、背景面、左/右側(cè)面及底面構(gòu)成。其中觀測(cè)面板使用透光性好的超白玻璃制作，使得模型箱內(nèi)部的微納米氣泡可以透過觀測(cè)面在相機(jī)內(nèi)清晰成像。其他面板均使用有機(jī)玻璃。背景面涂抹成黑色，以增強(qiáng)微納米氣泡與背景的對(duì)比度。左/右側(cè)面及底面均涂抹成白色，以增強(qiáng)水體中微納米氣泡的漫反射效果，最大限度提高微納米氣泡的亮度。在模型箱底部中央位置設(shè)置水流注入口，直徑為4mm。水流從頂部溢流，在模型箱內(nèi)形成流場(chǎng)，觀察微納米氣泡在水中的運(yùn)動(dòng)情況。

2.2 激光器

激光器置于模型箱正上方，通過高功率激光器發(fā)射片狀激光，照亮模型箱內(nèi)的微納米氣泡。激光器最大功率為2W(功率波動(dòng)在5%以內(nèi))，波長(zhǎng)532nm，發(fā)散角小于1mrad，束腰直徑小于3.0mm。激光功率越大，氣泡的亮度越高，但是過高功率的激光照射在微納米氣泡上，會(huì)造成溫度升高，影響微納米氣泡的性質(zhì)。同時(shí)過高的激光功率也存在安全隱患。

在激光出口處使用矯正圓環(huán)將激光調(diào)整為片狀，照亮水體中的某一平面，而不是整個(gè)水體，這樣不僅集中了激光能量，而且可以通過控制片狀激光的線寬，使線寬小于相機(jī)景深，避免相機(jī)景深外的氣泡被照亮以造成在CCD相機(jī)上成虛像，避免氣泡重影現(xiàn)象。此外矯正圓環(huán)還可以360°改變激光線的方向，照亮不同平面。

2.3 相機(jī)及鏡頭

相機(jī)和鏡頭用于對(duì)微納米氣泡進(jìn)行成像。由于微納米氣泡體積小，對(duì)光的反射效果差，運(yùn)動(dòng)速度快，因此需要高放大倍數(shù)、高感光度以及高快門速度的相機(jī)。本系統(tǒng)使用的相機(jī)為高感光度CCD相機(jī)(WAT-120N+型)，最低照度0.00002lx仍可成像，CCD尺寸為1.27mm(1/2″)，分辨率為768像素×576像素，信噪比為52dB，具有高速電子快門(最快可達(dá)1/2000s)。鏡頭選用適合相機(jī)的工業(yè)縮放鏡頭(ZL0911型)，放大倍數(shù)為0.7～4.5，工作距離為88～93mm。該工業(yè)鏡頭可通過增加多個(gè)2倍的放大環(huán)進(jìn)一步提高放大倍數(shù)，配合相機(jī)(受限于感光度及快門速度要求)最小可以觀測(cè)直徑為900nm的氣泡。

2.4 三維可調(diào)節(jié)支架

三維可調(diào)節(jié)支架用于承載相機(jī)及鏡頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)位置及焦距的連續(xù)、微細(xì)調(diào)整。支架由不銹鋼制作，通過螺絲將相機(jī)及鏡頭固定于頂部面板(承載板)。通過移動(dòng)滑桿控制空間3個(gè)互相垂直面板的移動(dòng)，并可以鎖定面板的位置。

2.5 圖像處理軟件

圖片處理軟件用于對(duì)拍攝圖像進(jìn)行后處理，分析微納米氣泡的形態(tài)、粒徑及運(yùn)動(dòng)速度等。使用PIV/PTV分析軟件MicroVEC，通過對(duì)拍攝圖片的灰度值進(jìn)行分析(高斯擬合)，識(shí)別氣泡，然后根據(jù)單位像素的實(shí)際尺寸計(jì)算氣泡直徑。通過連續(xù)拍攝的系列圖片，確定目標(biāo)氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后根據(jù)像素尺寸及快門速度，計(jì)算微納米氣泡的運(yùn)動(dòng)速度(大小及方向)，并繪制微納米氣泡的運(yùn)動(dòng)跡線圖。

3 操作步驟

以分析水體中微納米氣泡運(yùn)動(dòng)速度為例，簡(jiǎn)述該系統(tǒng)的操作步驟如下：

(1) 向模型箱中注入去離子無氣水(大于0.22μm的雜質(zhì)顆粒每毫升不多于1個(gè));

(2) 將相機(jī)和鏡頭放置于三維可調(diào)節(jié)支架上，并移動(dòng)到初始位置,相機(jī)控制線與電腦相連接，在電腦上打開相機(jī)軟件，調(diào)整好相機(jī)參數(shù)(亮度、對(duì)比度、快門等)及鏡頭放大倍率，做好拍攝準(zhǔn)備;

(3) 打開激光器，緩慢提高激光器功率值，并調(diào)整激光器的位置以及矯正圓環(huán)的位置，使得激光器發(fā)射的片光源照亮水體中的某一平面及注水口，并且該平面與相機(jī)/鏡頭所在的軸線垂直;

(4) 生成微納米氣泡水，通過底部注水口以恒定流速注入到模型箱中(使用藥劑泵);

(5) 使用相機(jī)對(duì)微納米氣泡進(jìn)行連續(xù)拍攝，存儲(chǔ)為照片;

(6) 調(diào)節(jié)支架，改變相機(jī)的位置，拍攝不同位置處微納米氣泡的運(yùn)動(dòng)情況;

(7) 調(diào)整鏡頭的放大倍率，拍攝不同直徑范圍氣泡的運(yùn)動(dòng)情況;

(8) 通過圖像處理軟件對(duì)所拍攝的照片進(jìn)行后處理，分析微納米氣泡的形態(tài)、粒徑及運(yùn)動(dòng)速度等

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 水中微納米氣泡粒徑分析

使用該系統(tǒng)分析水體中微納米氣泡的形態(tài)，粒徑和存在時(shí)間等基本特性。直接將生成的微納米氣泡注入模型箱中，待水體基本靜止后，進(jìn)行拍攝，拍攝粒徑實(shí)況見圖3。

圖3 拍攝粒徑

拍攝結(jié)果如圖4(a)所示，圖像中的白色點(diǎn)即為微納米氣泡。可以看出，在形態(tài)上，微納米氣泡仍為球形。使用后處理軟件對(duì)圖片灰度進(jìn)行分析，獲得的處理圖見圖4(b)所示。

圖4 微納米氣泡拍攝效果圖

從圖4中，根據(jù)每個(gè)氣泡所占據(jù)的像素?cái)?shù)量及像素的實(shí)際大小，計(jì)算出每個(gè)氣泡的粒徑。圖4中的氣泡粒徑分布如圖5所示。

圖5 微納米氣泡粒徑分布

由圖5可知，微納米氣泡存在2個(gè)粒徑峰值，分別在10μm左右及50μm左右。

4.2 水中微納米氣泡運(yùn)動(dòng)分析

注入口的注入速度為5mm/s，模型箱內(nèi)的水流處于層流狀態(tài)。使用相機(jī)拍攝不同位置處微納米氣泡的運(yùn)動(dòng)情況，并對(duì)同一位置處的多張連續(xù)照片進(jìn)行分析，可獲得氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)速度，速度的空間分布如圖6所示。

圖6 微納米氣泡運(yùn)動(dòng)速度空間分布

分析微納米氣泡運(yùn)動(dòng)速度與直徑的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。由此可知，微納米氣泡的運(yùn)動(dòng)速度與直徑無關(guān)，主要由局部的水流速?zèng)Q定。

圖7 微納米氣泡運(yùn)動(dòng)速度隨氣泡直徑的分布

4.3 多孔介質(zhì)中微納米氣泡運(yùn)動(dòng)分析

該套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以研究水體中微納米氣泡的粒徑及運(yùn)動(dòng)情況，還可以研究多孔介質(zhì)中微納米氣泡的基本性質(zhì)，尤其是可以可視化研究微納米氣泡的吸附特性。

使用透明的橢球形樹脂顆粒來模擬多孔介質(zhì)，由于微納米氣泡的折射率與多孔介質(zhì)的折射率不同，并且微納米氣泡被激光照射，滿足成像的亮度需求，可以拍攝到微納米氣泡在多孔介質(zhì)中的吸附效果，如圖8所示。

圖8 微納米氣泡吸附效果圖

從圖8中可以看出，微納米氣泡在樹脂顆粒的表面存在明顯的吸附，可吸附的氣泡數(shù)量與顆粒的表面積相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，微納米氣泡吸附之后存在時(shí)間進(jìn)一步增長(zhǎng)。

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的微納米氣泡觀測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)微納米氣泡(大于900nm)在水體中及多孔介質(zhì)中的粒徑分布、運(yùn)動(dòng)速度和吸附特性等進(jìn)行觀測(cè)，并分析其影響因素。微納米氣泡光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)功能強(qiáng)、觀測(cè)精度高，在實(shí)際教學(xué)和科研中發(fā)揮了重要作用，為建立微納米氣泡的流動(dòng)模型、滲流模型及吸附模型等科研工作提供了有效地實(shí)驗(yàn)研究手段。

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