微納米氣泡基本特性及溶解氧的研究

潘習習，徐建平

（安徽工程大學 生物與化學工程學院，安徽 蕪湖 241000）

微納米氣泡的相關研究已經成為近些年研究的熱點.微納米氣泡具有普通氣泡所不具有的特點，如：氣泡體積小、上升速度慢以及具有較強的氧化性等特點.相關文獻指出由于氣泡細小，受空氣在水中溶解度的影響較小，氣泡在污水中停留時間較長，具有良好的氣浮處理效果[1-2].在水體增氧、浮選技術、治理污水等領域也有著重要的應用價值[3].與其他水處理方法相比，微納米氣泡還具有操作簡便、功耗小、無二次污染等特點，具有很好的可推廣性.但是，目前對微納米氣泡的形成規律以及特性等問題，還處在繼續研究的過程中，微納米氣泡的一些特性和用途還有待于開發和利用[4].

在微納米氣泡與普通氣泡的不同特性中，研究者對其在水中溶解氧的影響因素持有不同看法.總體體現在兩方面：一方面研究者認為，微納米氣泡的溶解現象與普通氣泡的相同，受到溫度、壓力等因素的影響[5-6]；另一方面研究者認為，由于氣泡尺寸極小，使得其比表面積相當大，因而受空氣在水中溶解度的影響不大.

此次實驗將探究部分影響因素（溫度、p H和轉速等）對微納米氣泡在水中溶解氧的影響.在此基礎上，利用正交試驗對反應條件進行優化，為下一步研究微納米氣泡在工業廢水中的應用提供基礎.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

硫酸錳溶液，堿性碘化鉀溶液，濃硫酸，淀粉溶液（1%），硫代硫酸鈉溶液（0.025 mol／L）.

1.2 儀器與設備

卷尺，燒杯，量筒，攪拌器，水浴鍋，定制實驗用PVC透明水槽（長150 cm、寬50 cm、高120 cm），云南夏之春環保公司的XZCP-K-0.75，該裝置原理是使水與氣高度相溶混合，超聲波空化彌散釋放出高密度的、均勻的超微米氣泡.

1.3 溶解氧的測量方法

溶解氧的測定采用-碘量法（GB 7489-87）進行測量.

1.4 實驗方法

（1）微納米氣泡懸浮時間.用1 L的量筒獲取在微納米氣泡發生裝置穩定條件下水槽中制備得到的乳白狀水氣混合液1 L，將量筒靜置在水平桌面上，測量該乳白狀水氣混合液從渾濁狀態到澄清時所用的時間.為減少實驗帶來的誤差，實驗采取多次測量求平均值的方法，最終得出微納米氣泡在水中懸浮時間為252 s，實驗數據如表1所示.

（2）有效氣液混合比.為測量微納米氣泡在水中實際產氣量的效率，實驗選用250 m L，500 m L，1 000 m L的量筒量，獲取在穩定條件下水槽中制備得到的乳白色水氣混合液，放置在水平桌面上，測量澄清前后量筒內液體體積，并計算出混合液中微納米氣泡的實際有效比例.有效氣液混合比η＝（v1-v2）／v1.計算時進行3次測量取平均值，最終計算得出混合氣液比為2.12%，即微納米發生裝置產生的氣水混合液中有效氣液混合比至少為2.12%.

表1 微納米氣泡懸浮時間測量

表2 有效氣液混合比測量

（3）將微納米氣泡發生器、臭氧發生器、機械攪拌機以及水槽組合成一個實驗裝置.實驗前檢查裝置運轉是否正常.測量水樣時，用250 m L溶解氧瓶獲取實驗后的水樣進行研究.實驗裝置示意圖如圖1所示.

在上述裝置條件下，依次改變反應體系的p H值（4～10）、時間（0～45 min）、溫度（20～45℃）、轉速（500～3 000 r／min），分別測定溶解氧的含量，考察單因素對微納米氣泡的溶解氧的影響.

2 結果與分析

2.1 反應時間對溶解氧的影響

時間對溶解氧的影響結果如圖2所示.由圖2可知，反應時間對溶解氧的含量有顯著影響.在一定時間內，溶解氧隨時間的增加而不斷升高，反應時間達到10 min時達到最大值；此后隨著反應時間的增加，溶解氧的含量呈現出下降趨勢.因此，分析微納米氣泡在水中溶解氧的較佳時間應該是在10 min附近.反應開始時，隨著微納米氣泡的不斷產生，溶解氧含量不斷升高，當到達一定時間后，隨著時間增加溶解氧呈下降趨勢.根據分析是由于微納米氣泡在水中破裂時，會產生大量的熱，使得水中的溫度上升，加強了分子的熱運動，使得氣泡破裂排出水面從而使得溶解氧下降.

2.2 p H對溶解氧的影響

p H對溶解氧的影響如圖3所示.由圖3可知，p H對溶解氧的影響較明顯.根據圖3中曲線可以得出，當p H在6～7之間時，微納米氣泡在水中的溶解氧達到最大值，其他p H值條件下都較低.根據相關文獻的分析，微納米氣泡在水中上升的過程中，由于其比表面積小，在氣泡表面會形成雙電子層結構，界面上存在著高濃度離子，在微氣泡破裂瞬間，由于劇烈變化界面上將釋放出化學能，從而產生大量的羥基自由基[7].不同的p H帶來水中不同離子含量，對雙電子層起到了不同程度的影響[8].同時，實驗前后p H值沒有發生改變，也能說明微納米氣泡對溶液的p H沒有影響.當p H在6～7之間時，微納米氣泡在水中的含量較高.這一規律與嚴偉[9]的觀點一致，研究指出水和廢水呈中性時，氣浮法處理效果良好，p H值如大于或小于7，都會降低氣浮法的處理效果.

2.3 溫度對溶解氧的影響

溫度對溶解氧的影響如圖4所示.由圖4可知，溫度對微納米氣泡的影響比較顯著.隨著溫度的增加，溶解氧不斷升高.當達到25℃左右時，溶解氧含量達到最大值；此后，繼續升高溫度，溶解氧含量呈下降趨勢，最終曲線平緩溶解氧穩定.據分析當溫度相對較低時，能夠使得少量微納米氣泡破裂，產生的氧溶解到水中，從而使溶解氧含量增加，隨著溫度的持續升高，較高的溫度會使得水中氣泡的界面發生變化，使大量氣泡破裂，溶解氧流失較大，進而產生溶解氧降低的現象.

2.4 轉速對溶解氧的影響

攪拌對溶解氧的影響如圖5所示.由圖5可知，隨著攪拌程度的不斷增加，微納米氣泡在水中的溶解氧含量隨之升高，當攪拌程度達到1500 r／min時，溶解氧含量達到最大；此后，繼續增加轉速，溶解氧含量逐漸下降.轉速對溶解氧的影響，據分析應是由于適當的轉速可以使得溶解氧更好地與水均勻混合，有利于水中溶解氧的增加，但當轉速增大到一定程度時，水中的剪切力增大，使得氣泡破裂，破壞了氣液混合的平衡條件，進而使得溶解氧下降.

2.5 正交優化

根據單因素實驗結果，確定各因素的較優取值范圍后，設計正交試驗，進行實驗并優化反應條件.實驗設計因素及水平如表3所示.根據單因素實驗結果，選取時間、溫度、p H、轉速4因素進行正交試驗設計，結果如表4所示.

表3 溶解氧正交試驗因素與水平設計

表4 L9（34）正交試驗結果

根據正交實驗得出優化組合，即p H值7、時間8 min、溫度23℃、轉速1 300 r／min，在此條件下進行平行驗證性實驗，得出溶解氧為14.7 mg／L.

3 結論

研究表明，微納米氣泡在水中懸浮時間為252 s.微納米發生裝置產生的氣水混合液中有效氣液混合比至少為2.12%.由實驗可以看出，微納米氣泡在水中的停留時間相對于普通氣泡的停留時間有較大差異.微納米氣泡的這一特性，可用于傳統曝氣方法的改進.又由于其氣泡體積較小，具有較強的氧化性，可大大提高曝氣方法在水體供氧和對有機物的氧化處理，有助于開發拓展新型環保的污水處理方法.

本實驗以空氣微納米氣泡為基礎，研究了溫度、時間、p H值等影響因素對微納米氣泡在水中的溶解氧的影響.實驗證明得出溫度、時間、p H值等影響因素對微納米氣泡在水中的溶解氧具有一定的影響效果.其單因素的影響程度順序為：溫度、轉速、p H、時間.正交試驗結果表明，在一定時間內，溶解氧隨時間的增加而不斷升高，反應時間達到10 min時達到最大值，此后隨著反應時間的增加，溶解氧的含量呈現出下降趨勢.當p H在6～7之間時，微納米氣泡在水中的溶解氧達到最大值，其他p H值條件下都較低.隨著溫度的增加，溶解氧不斷升高，當達到25℃左右時，溶解氧含量達到最大值，此后，繼續升高溫度，溶解氧含量呈下降趨勢，最終曲線平緩溶解氧穩定.隨著攪拌程度的不斷增加，微納米氣泡在水中的溶解氧含量隨之升高，當攪拌程度達到1 500 r／min時，溶解氧含量達到最大，此后，繼續增加轉速，溶解氧含量逐漸下降.以空氣為載體的微納米氣泡優化條件為p H值7、時間8 min、溫度23℃、轉速1 300 r／min時，溶解氧含量較高.在此優化條件下進行平行驗證性實驗，得到溶解氧平均值為14.7 mg／L.

[1]陳冀孫，胡斌.氣浮凈水技術的研究與應用[M].上海：上海科學出版社，1985：1-9.

[2]王毅力，湯鴻霄.氣浮凈水技術研究及進展[J].環境科學進展，1999，7：94-103.

[3]Takahashi Masayoshi，Chiba Kaneo，L Pani.Free-radical generation from collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus[J].J.PHys.Chem.B，2007，111（6）：1343-1347.

[4]呂宙.微納米氣泡曝氣在污水處理中的應用研究[D].合肥：合肥工業大學，2014.

[5]鄧超，楊麗，陳海軍，等.微納米氣泡發生裝置及其應用的研究進展[J].石油化工，2014，10：1 206-1 213.

[6]鄭最勝，李南方.納米氣泡簡介[J].化學教學，2008，3：41-43.

[7]洪濤，葉春，李春華，等.微米氣泡曝氣技術處理黑臭河水的效果研究[J].環境工程技術學報，2011，1：20-25.

[8]宋滔，杜筱蘭，董亞明，等.溶解氣體和納米氣泡對固-液溶膠電導率的影響[J].上海師范大學學報，2009，38（1）：68-69.

[9]嚴偉.p H 值對氣浮法凈水的影響[J].化工環保，1986，6：76-77.