微納米氣泡發生機理及其應用研究進展

王永磊，王文浩，代莎莎，徐學信，薛舜，許斐，賈鈞淇

（1.山東建筑大學 市政與環境工程學院，山東 濟南250101；2.山東省日照職業技術學院，山東 日照276800）

微納米氣泡發生機理及其應用研究進展

王永磊1，王文浩1，代莎莎2，徐學信1，薛舜1，許斐1，賈鈞淇1

（1.山東建筑大學 市政與環境工程學院，山東 濟南250101；2.山東省日照職業技術學院，山東 日照276800）

相比于傳統處理技術，微納米氣泡在污廢水處理、地下水水土環境修復等環境污染控制領域表現出了良好的技術優勢及應用前景，開展微納米氣泡在各領域的應用進展研究，對于其今后的研究發展具有積極的意義。文章圍繞停留時間、氣液傳質率、界面電位、產生自由基、比表面積等方面，闡述了微納米氣泡與普通氣泡所不同的特性，綜述了加壓溶氣釋氣法、分散空氣法、電解法、氣浮泵產氣法等微納米氣泡不同發生方法的技術機理及相關設備研究現狀，概述了微納米氣泡在水體增氧、強化臭氧化、氣浮、強化生物活性等水處理領域及灌溉水源處理、促進作物生長等種植業領域的應用現狀、存在問題以及前景，并對微納米氣泡的發展應用進行了展望。

微納米氣泡；發生機理；水處理；增氧

0 引言

半徑在0.05～25μm范圍內的微小氣泡稱為微納米氣泡［1］。微納米氣泡相較于普通氣泡，擁有存在時間長、氣液傳質率高、界面點位高、能自發產生自由基等特點，同時也具有一些獨特的化學特性［1］。對于微納米氣泡的研究始于19世紀，當時人們的研究重點是毫米級氣泡。20世紀50年代，人們開始開展對液滴以及氣泡的相關研究［1］。而對于微納米氣泡的應用情況，最早可以追溯至20世紀90年代，由日本科學家最先研究制造出氣泡的發生裝置，并且應用于水產養殖方面。隨著對微納米氣泡研究的深入，發現其在生物科學、流體動力學等多個應用領域中都有著較為深遠的影響［2-3］。

目前，微納米氣泡由于其獨有的特性而被廣泛地應用于水處理、生物制藥、水體增氧、氣浮凈水等領域，且逐漸在污廢水處理、地下水水土環境修復等環境污染控制領域中展現出了一定的技術優勢以及較為良好的應用前景，同時在土壤消毒、營養液增氧消毒等農業領域中也展現出了較為良好的應用前景［4-5］。諸如微納米氣泡能增強生物活性、加快微生物對污泥的凈化速率、有效改善地下水水況等，相比于傳統處理技術有著明顯的技術優勢。但目前對于微納米氣泡的應用研究較為單一且分散，所以對近年微納米氣泡在水處理及種植等領域中的應用情況進行梳理總結，對今后微納米氣泡的應用研究具有一定的積極意義。文章概述了微納米氣泡的界面點位高、存在時間長、傳質效率高等優良特性以及其在水處理以及種植業應用領域中的應用現狀，并且綜述了微納米氣泡的發生機理及相關發生裝置的研究現狀及進展。對微納米氣泡未來的發展進行了展望。

1 微納米氣泡的特性

微納米氣泡因為自身尺寸小的特點，能夠顯示出許多與普通氣泡所不同的特性，如傳質效率高、存在時間長、能自發生成大量自由基、自身增壓溶解等。

1.1 存在時間長

根據浮力原理可知，在液體中，氣泡的體積越大，相應所受到的浮力就越大；氣泡的直徑增加，所受到的浮力也隨之增加，上升速度也隨之加快［6］。微納米氣泡由于自身體積小，在水中所受到的浮力要遠遠小于普通氣泡在水中所受到的浮力，所以微納米氣泡的上浮速度緩慢，在水中停留的時間更長［7-8］，如半徑約為5μm的氣泡在水中的上升速度為3 mm／min，而半徑為0.5 mm的氣泡在水中的上升速度能達到6 m／min，由此可知，水中微納米氣泡上升的速度是普通氣泡的1／2000。潘習習等利用多次測量計算平均值的方式進行相關實驗，結果發現微納米氣泡在水中懸浮的時間為252 s［9］。

1.2 氣液的傳質率高

液體中氣體的體積和直徑共同決定了氣液的比表面積，氣液的比表面積又決定了氣體的傳質效率。通過氣液界面的表面張力理論能夠發現，當氣泡的直徑變小時，其表面張力對其的影響將會變得越明顯。微納米氣泡相對于普通氣泡擁有更小的直徑，因此它受到其表面張力的影響更大并且在促使其收縮，同時逐漸增大氣泡的內部壓力。當微納米氣泡的收縮達到某一極限值時，氣泡內部的氣壓將會趨于無限大，這種自增壓效應會使微納米氣泡溶于水或者在水面處破裂消失［10］。通過上述過程，可以使得水中的氣體溶解率達到一種過飽和的狀態，實現了氣液傳質，同時產生較好的傳質效率。

1.3 界面電位高

微納米氣泡的界面電位所代表的是氣泡表面雙電層產生的電勢差，電位值的高低能夠對氣泡表面的吸附性能產生一定的影響［11-12］。當微納米氣泡在水中發生收縮時，存在于氣泡表面上的電荷離子，濃度將會迅速富集，使得微納米氣泡的界面電位迅速升高；微納米氣泡破裂之前，在其界面位置會產生很高的界面電位。Ushikubo等的研究顯示，空氣微納米氣泡ζ電位值的范圍通常為-20～-17 mV，而氧氣微納米氣泡ζ電位值的范圍通常為-45～-34 mV［13］。

1.4 生成自由基

微納米氣泡能夠自發生成自由基。在微納米氣泡收縮并發生破裂時，氣液界面的消失會引發劇烈變化，這種劇烈變化能夠釋放出界面上由高濃度正負離子所積累的能量，從而生成大量的羥基自由基。另外，所產生自由基的數目在一定程度上也會受到微納米氣泡氣體種類的影響［14-15］。羥基自由基擁有很強的氧化還原電位，其所表現出來的強氧化作用可以降解水中諸如苯酚等在正常情況下難以被氧化分解的污染物，這對水質起到了良好的凈化作用。另外，承載氣體采用臭氧能夠更加容易地激發生成大量的羥基自由基，將微納米氣泡技術與臭氧聯用，可以在很短的時間內將聚乙烯醇等多種不能被臭氧單獨氧化分解的有機物有效地轉化成無機物。

1.5 比表面積大

微納米氣泡的比表面積相對較大。通過S／V＝3／r可知，當微納米氣泡保持體積V一定時，氣泡的比表面積S與氣泡的半徑r成反比。比較半徑為1 mm和10μm的氣泡，發現當二者體積一定時，后者的比表面積在理論上是前者的100倍［16］。

2 微納米氣泡發生方法的技術機理

按照微納米氣泡發生機理的差異，微納米氣泡的發生方法主要可分為加壓溶氣釋氣法、分散空氣法、電解法、氣浮泵產氣法等。

2.1 加壓溶氣釋氣法

加壓溶氣釋氣法的主要原理是進行氣體壓力的改變，采用加壓和驟然減壓的方式來調節液體中氣體的溶解度，從而實現氣體的溶解與釋放。這種方法廣泛地應用在氣浮技術中，然而目前仍然存在著一些缺陷，如溶氣、釋氣過程不連續以及微納米氣泡發生效率低等。Féris等發現在Fe（OH）3絮體去除率和水力負荷一致的情況下，加入表面活性劑能夠顯著降低溶氣罐的操作壓力，降低量約為33%［17］。時玉龍等提出了在能源利用上更為合理的葉輪散氣和氣浮泵產氣方式，以解決傳統加壓溶氣設備溶氣釋氣不連續等缺陷［18］。現今，對于加壓溶氣釋氣裝置的相關研究著重于如何降低成本、提升溶氣罐的效率、簡化操作等方面。

2.2 分散空氣法

分散空氣法的主要原理是利用水力剪切、高速旋流等方式形成剪切力，并制造出一種極端條件，將空氣進行反復剪切破碎，使之與水混合從而生成大量的微納米氣泡［19］。

金強等在高速旋流原理的基礎上，對微納米裝置進行設計優化，能夠高效地生成大量微納米氣泡［20］。過流斷面的漸縮突擴使得氣液混合體反復的經過收縮、擴散、反流、撞擊、擠壓、旋流等多種作用，最后生成微納米氣泡。卡門渦街、多次穿孔、文丘里管等多種微納米氣泡發生裝置都是利用上述機理。微多孔結構方面，Fujikawa等利用旋轉擴散板，通過改變其轉速及微孔進氣量的方式，在增強微孔對氣泡剪切效果的同時達到控制氣泡數目及尺寸的目的［21］。徐振華等研制了一種通過空氣壓縮機將氣體從金屬管壁上的微孔壓出，從而產生微氣泡的金屬微孔管裝置，其相比于旋轉擴散板裝置更為簡單［22］。

機械剪切設備主要是利用了葉輪高速旋轉所形成的剪切作用，把液體中大尺寸的氣泡剪切成微納米氣泡。具有代表性的一種引氣裝置是由美國HydroCal環保公司在1985年發明的。該引氣裝置的底部設置有葉輪，葉輪的高速旋轉能夠在水中產生一個真空區，液面上的空氣經由曝氣機進入水中并被葉輪粉碎，從而生成微氣泡。利用這種方式所生成的微氣泡數目雖較多，但是氣泡的尺寸不均勻且可控性較差，而且能耗相對較大。

射流裝置的運行原理主要是通過空氣壓縮機產生出氣液混合的高速射流，并利用氣液間的亂流紊動作用以生成微納米氣泡［23］。自吸式射流析出氣泡裝置主要由吸氣室、噴嘴、擴散管以及混合管等4部分構成，其工作過程為液體經由噴嘴射入吸氣室，同時在吸氣室位置處形成負壓，液體匯集吸入的氣體一同進入到混合管；液滴在混合管內做高速運動并與氣體發生相互碰撞，致使氣體加速、分散；進入到擴散管段后，流速逐漸減緩，壓力相應增加，氣體經過壓縮并形成微氣泡，最終氣液兩相以泡沫流的形式流出。這種設備的優點是所生成的氣泡尺寸較小，但是相應的對于裝置流道的設計以及制造方面的要求較高。

2.3 電解法

電解法的主要原理是利用電極電解水的方式，在正負極板上生成微納米氣泡。運用此方法所生成的微納米氣泡，其直徑通常在20～60μm左右，尺寸的可控性較好，但相應的有能耗較大、氣泡產量較少等缺點。目前，在諸多實際應用過程中，對于電解裝置的要求均較為嚴格，如船舶的減阻裝置需要生成大面積的微氣泡用以包裹船底表面的，由此產生了采用陣列式微電極、矩形節點電極等的多種新型裝置。Xie等利用高度拋光金屬球表面的納米級微凸起作用電極，在甘油與水的混合液中進行電解，從而得到了大量的平均尺寸為6μm的微納米氣泡［24］。Sakai等采用220μm的金屬微纖維編織而成的金屬網作為電極，在水中進行電解并生成大量直徑約為77 nm的微納米氣泡［25］。

2.4 氣浮泵產氣法

氣浮泵的主要原理是將葉輪散氣技術和壓力溶氣技術結合使用，利用高速旋轉的葉輪，在進氣口位置產生負壓并吸入空氣，利用泵腔內劇烈的湍流以及高壓的環境，使空氣能夠迅速地溶于水中，另外部分被吸入的空氣在高速旋轉葉輪的剪切作用下，生成微氣泡［26］。氣浮泵與傳統的葉輪氣浮技術相對比，前者的氣泡發生率要更高一些，同時所生成氣泡的尺寸也會更小一些。通過上述理論可知，將幾種不同的氣泡發生機制結合使用，能夠有效地增強裝置所生成氣泡的質量以及裝置的氣泡發生率。目前，氣浮泵多被用于試驗研究以及工程實踐。楊勇等對旋噴泵進行了設計優化，同時將其應用到氣浮設備中，在工作壓力為0.48 MPa、吸氣量為9%的工況前提下，生成的微氣泡中直徑＜80μm的氣泡占到了90%［27］。袁鵬等利用氣浮泵作為微氣泡發生裝置，并對新型豎流氣浮反應器設計開展了試驗研究，在吸氣量為8%、氣浮泵工作壓力為0.4～0.45 MPa的工況前提下，所生成微氣泡的平均半徑為25μm左右，這種設備對于機械加工廢水以及乳品廢水中化學需氧量COD的去除率分別大于75%和50%，對于油類物質及固體懸浮物濃度SS的去除率則分別大于80%和85%［26］。

除上述的幾種方法以外，微納米氣泡的發生機理還包括高溫、化學反應、超聲波、微管道等多種技術方法。超聲波技術是通過超聲空化作用使液體產生負壓，將原本溶于液體中的氣體以微納米氣泡的形態釋放，另外還能夠實現對氣泡破滅的控制，其在氣泡精密控制的應用方面顯示出了較好的前景。某些化學物質通過相互作用也能夠生成微納米氣泡，Betteridge等采用水和金屬鈉進行實驗，期間利用檢測氣泡破裂聲音頻率的方式，得出所生成氣泡的尺寸為微米級，但是這類利用化學物質之間的相互反應生成微納米氣泡的裝置，其制造成本太高且在使用時容易造成水體的二次污染，所以應用范圍有局限性［28］。

3 微納米氣泡的應用

3.1 微納米氣泡在水處理方面的應用

微納米氣泡具有許多優于普通氣泡的特性，以其優秀的增氧能力、良好的氣浮效果和強氧化性廣泛地應用于水處理工藝中，并在應用過程中表現出占地小、投資小、操作簡便、無污染等優勢。在水處理領域中，微納米氣泡用于處理水中的有機物、氮磷以及有毒有害物質等，進而有效地改善水體水質。

3.1.1 在水體增氧方面的應用

河流湖泊周邊的企業等在生產過程中會將未處理達標的廢水排放至水體中，這些廢水中的污染物會被水體中的微生物分解利用，這個過程中微生物會利用并消耗水體中溶解的氧氣，這將致使水體中的溶解氧含量迅速降低，大大增加了河水發臭發黑等問題發生的概率，嚴重的影響了生態環境的穩定性。為解決水體黑臭問題并減少二次污染，需要對水體的溶解氧含量進行補充。洪濤等利用國產的微納米氣泡發生裝置，分別利用微納米曝氣與普通曝氣兩種方式，對黑臭河水進行處理并把最終的實驗結果進行分析比較［29］。結果顯示，在同樣的曝氣強度下，利用微納米氣泡進行曝氣后所達到的溶解氧總量相比于普通氣泡的要高出很多。微納米氣泡進行曝氣60 min時，溶解氧含量達到了9.87 mg／L，而普通氣泡曝氣在100 min時所達到的溶解氧含量僅僅為6.54 mg／L。同時，微米氣泡對2-甲基異莰醇2-MIB、土溴素Geosmin、氨氮NH3-N和化學需氧量COD的最大去除率分別比普通氣泡曝氣高出了12%、16%、10%、12% 。

3.1.2 在強化臭氧化方面的應用

臭氧作為一種優良的強氧化劑，目前在水體有機以及無機化合物質的去除方面有著廣泛的應用，能夠達到改善飲用水的口感及色度的目的。但是臭氧的強氧化性對于某些有機物質仍然無法起到氧化分解或徹底分解的效果。通過研究可知，采用臭氧微納米氣泡能夠有效地分解掉這類穩定的有機物。微納米氣泡在破裂的瞬間能夠生成大量的羥基自由基，從而有效地強化了對污染物的分解作用。目前在難降解工業廢水以及污泥的處理方面，微納米氣泡也已經展現出了潛在的應用前景。Chu等基于微納米氣泡臭氧化工藝，對其污泥減量化的效果進行了相關的研究，同時與傳統的臭氧氣泡工藝進行比較，結果顯示微納米氣泡臭氧化工藝能夠顯著增強臭氧的利用率，極大地提升了污泥的溶解率［30］。Chu等還分別設計開展了普通氣泡以及臭氧微氣泡處理模擬印染廢水的試驗，并對其最終結果做了分析對比［31］，結果顯示相比于普通氣泡工藝，采用臭氧微氣泡工藝利用1 g臭氧所消除的總有機碳TOC的量是前者的1.3倍，所產生自由基的數目也相對較多，其處理效果相比前者有著明顯的優勢。Liu等設計進行了微納米氣泡處理焦化廢水的試驗，結果表明：在去除吡啶方面，臭氧微氣泡工藝的去除效率為純氧微氣泡工藝的1.7倍，是普通微氣泡工藝的4.5倍［32］。在去除苯方面，臭氧微氣泡工藝的去除效率分別是純氧微氣泡工藝及普通微氣泡工藝的1.5和3.6倍。而且，臭氧微氣泡工藝所生成的羥基自由基的數目也是三者中最多的。微納米氣泡與臭氧相結合，能夠激發微納米氣泡生成更多的羥基自由基，進而增強臭氧的氧化能力，對難降解的有機物進行強化分解，能夠有效地降低廢水的色度以及COD，并能有效提升廢水的可生化性，為后續的生物處理工藝減輕負荷，擁有不產生二次污染、運行成本低、操作管理簡單等優點。

3.1.3 在氣浮方面的應用

氣浮法是一種高效的固液分離技術，最初應用于選礦，自20世紀70年代開始，氣浮在水處理方面有了迅速的發展。目前已廣泛地應用在微污染水體、工業廢水以及城市污水的處理領域中［33-34］。氣浮工藝的主要原理是：向水體中通以大量的微細氣泡，使其和雜質絮體相黏附，利用浮力作用將生成的泡絮體轉移至水面，進而將固液進行高效的分離。微納米氣泡的ζ電位高、在水中停留時間長以及比表面積大等特點延長了氣泡與懸浮物的接觸時間，同時提高了氣泡與懸浮物的黏附效率；在廢水的預處理中將混凝工藝和微納米氣泡技術聯合使用，展現出了對油類以及懸浮物高效的去除率及優良的吸附效果。Liu等分別利用傳統氣泡氣浮技術以及微納米氣泡工藝，設計并進行了印染廢水的處理試驗，就其最終結果進行了分析，微納米氣泡氣浮工藝可以提高預處理的速率，同時也有效地降低了絮凝劑的投加量；在油、COD以及色度的去除率方面相比于傳統氣泡氣浮工藝分別高出40%、30%以及110%，同時能夠把廢水的可生化性由原來的0.290提高到0.363［35］。目前，部分研究人員提議把微納米氣泡用于含藻污水的處理，從而實現藻類與水體的分離。Deng等把T形管油水分離技術和微納米氣泡氣浮技術進行結合使用，結果顯示，微氣泡氣浮技術在實驗中展現出了分離效率高、運行費用低、分離時間短等優點［36］。汪群慧等對某餐飲的含油廢水設計進行了相關處理試驗，結果表明：在相近或相同的條件下，利用新型微納米氣泡氣浮工藝對COD和油的去除效率都要優于普通氣泡氣浮工藝［37］。所以，依靠微納米氣泡吸附性能好、界面電位高的優點，把微納米氣泡技術應用在廢水的預處理中，對NH3-N、總磷TP、COD都有著良好的去除效果。

3.1.4 在增強生物活性方面的應用

目前，微納米氣泡在動植物的生物活性方面起到了一定的促進作用。等量溶解氧含量的情況下，放置于添加了微納米氣泡的溶液中生長的生菜，與放置于普通溶液中生長的生菜相比較，前者表現出了較快的生長速度，由此可知微納米氣泡能夠對細胞的生理活動產生一定積極的影響。Okamoto等將微納米氣泡技術用在海底污泥凈化領域，通過其可以有效促進細菌生物活性的特性，使得細菌生物對污泥中污染物的降解速率有所提高［38］。微納米氣泡一方面增強了微生物凈化污泥的效果，另一方面也減少了對污泥的凈化時間。近年，微納米氣泡技術逐漸開始應用在環境生態修復方面。Jenkins等針對土壤中的二甲苯污染開展了原位修復試驗，把能夠降解二甲苯的惡臭假單胞菌Pseudomonas putida菌株和氧氣微氣泡相互混合，并通入到土柱的間隙中［39］。結果顯示，微生物菌株對于二甲苯的分解作用將一直持續到土壤間隙中的氧氣耗盡為止，經過處理后的土壤，其中殘留的二甲苯濃度經檢測發現，已低至儀器檢測限以下；在氧氣利用方面，微生物菌株能夠展現出高達71%～82%的氧氣利用率。依靠微納米氣泡在水中的傳質性能好、存在時間長等優點，對被污染的水體或者污泥實施微納米氣泡復氧，能夠有效地增強其中微生物的生物活性，提高其對污染物的凈化效果。目前，微納米氣泡在環境生態修復領域中已展現出了良好的應用前景。

3.2 微納米氣泡在種植業方面的應用

微納米氣泡技術廣泛地應用于養殖、水稻、無土栽培、促進種子發芽及增強水活性等農業領域。在進行農業種植、生產活動時，各類農藥會多次噴灑在作物表面及周邊，起到除蟲等作用。但是目前被噴灑在作物上的農藥，大部分都停留在植物莖葉的表面，一部分散落在周圍的大氣、土壤等環境之中，另外還有一部分則混雜在雨水中并隨著雨水下滲進入地下水。當人們利用未經處理的地下水灌溉作物時，地下水以及土壤中殘存的農藥就會通過根系的吸收作用，進入到蔬菜、作物等中，造成食物污染，從而危害人的健康。長期食用此類農產品，將會致使農藥在人體以及動物體內積累，繼而引發人和動物的慢性中毒，更為嚴重的將可能會影響到下一代。而微納米氣泡擁有在水中傳質效率高、存在時間長等優點，可以被用于農藥的去除。

3.2.1 在灌溉水源處理中的應用

當前，水體的富營養化程度逐漸增加，并且致使江河湖以及地下水等水域的污染情況相應加重。而水體的富營養化主要是由于受人為活動影響，大量的N、P等物質進入水體，而各類微生物利用并消耗水體中的氧氣去分解有機物，極大地降低了水中的溶解氧含量，最終致使水體被嚴重污染。由于現在農作物的灌溉水源基本上都以地下水為主，所以保證地下水資源的清潔就顯得極其重要。目前地下水水質主要是受殘留農藥下滲、垃圾填埋等因素的影響，水質逐漸變差。在對被污染的地下水開展治理的進程中，受多種條件、因素的限制，采用傳統的處理方式很難產生令人滿意的效果。而微納米氣泡技術能夠很好的解決這一問題，由于其優異的吸附能力，微小雜質的表面會被附著上微納米氣泡，最終將其從水中去除掉。由于通入的微納米氣泡是以氧氣作為基底，因此當其完全溶于水中時，作為基底的氧氣也會隨之溶于水中，能夠有效增加水中的溶解氧含量

，逐漸改善受污染水體的水質，最終確保能夠得到清潔的灌溉水源。龐志研等對白云湖水利工程展開了全面的研究，其由1.05 km2的湖面以及4.7 km的引水渠道組成，湖區共計占地2.07 km2。經調查研究顯示，工程中采用的曝氣方式為人工曝氣，同時微氣泡發生技術能夠有效地提高水體的氧含量［40］。因此，在改善地下水水況方面應用微納米氣泡增氧技術，能夠有效地保證灌溉水源的清潔。

3.2.2 在果蔬作物生長過程中的應用

在果蔬作物的生長進程中引入微納米氣泡，主要是利用其能夠有效促進生物活性的特點，微納米氣泡在果蔬作物生長過程中能夠起到提高葉片光合作用能力的效果，使得果實更加飽滿結實，同時減緩植物根莖及葉片的衰老速度。另外，微納米氣泡對生物體活性的促進作用還表現在能夠促進根系發育及根系對養分的吸收，增加了干物質的積累［41］。種植業中，對于微納米氣泡促進生物活性的研究主要是應用在微納米氣泡增氧灌溉領域。加入以氧氣為基底的微納米氣泡混合液，可以提升土壤中的含氧量，微納米氣泡具有促進微生物活性的特性，這能夠促使種子提前進行萌發，同時能夠實現縮短發芽周期的效果。才碩等通過設計試驗，考察微納米氣泡對雙季節水稻的產量及水稻需水量的影響，與普通方式培養的雙季節水稻相比，在以氧氣為基底的微納米氣泡溶液中培植的雙季節水稻，其結實率以及有效麥穗數都有著明顯的增長，微納米氣泡對水稻的產量方面起到了明顯的促進作用［42］。蔣程瑤等利用小白菜及生菜，就充氧微納米氣泡水和普通水對葉菜種子發芽的影響進行了對比實驗，結果顯示：在相同的條件下，利用溶解氧量為45 mg／L的充氧微納米氣泡水處理之后的葉菜種子，其活力指數以及發芽勢、發芽率都要顯著高于用普通水處理的種子：生菜以及小白菜的活力指數提高了135%和130%；而發芽勢和發芽率分別相應提高了62%、25%、44%以及14%［43］。Park等的研究表明在相同溶解氧含量的前提下，放置于含有微納米氣泡的溶液中培育的蔬菜，其生長速度相比于在普通溶液中培育的蔬菜要快很多，由此可知，微納米氣泡在植物細胞的生理活動中能夠起到一些積極的影響［44］。

4 展望

微納米氣泡所展現出來的停留時間長、傳質效率高等特點刷新了人們過往對于氣泡的觀念，使得對于氣泡的應用不再僅僅局限于強化溶氧效率等方面，更多的是對于微納米氣泡的潛在特性進行更深層次地探索研究，使微納米氣泡在各個領域的應用越來越廣泛、深入。目前，微納米氣泡在水處理等相關方面的應用較為成熟，但在類似種植、食品等相關領域中，微納米氣泡的應用還處在初期階段。文章中所概述的其在凈化修復地下水中的應用也僅僅是基本的應用。雖然微納米氣泡在果蔬清洗、種植、金屬脫脂等方面的應用還比較淺顯，但也都表現出了極大的優勢，顯示出更加廣闊的前景，諸如結合現存的清洗裝置能有效去除果蔬表面殘留的農藥；相比于常規手段，微納米氣泡在出水文物的保護以及清洗除垢方面有著巨大的優勢；依靠其較長的停留時間能有效去除金屬工件表面的油污和油脂等。

目前，運用各種方法所生成的微納米氣泡，其實際尺寸還大都停留在微米級，所生成的納米級氣泡的數目仍然很少，而且受各種因素（例如：電解質、pH、水溫、發生裝置結構和原理等）的制約，所產生的氣泡尺寸不均勻，穩定性相對也較差。在未來的研究中可以結合微納米氣泡發生裝置，將穩定生成一定量的納米級氣泡作為一個研究的重點。隨著人們對于微納米氣泡研究探索的不斷深化、科技的進步發展，微納米氣泡制備技術的也會也來越成熟，制備的成本也將越來越低，微納米氣泡的應用范圍也必定會越來越廣。

［1］ 鮑旭騰，陳慶余，徐志強，等.微納米氣泡技術在漁業水產行業的研究進展及應用綜述［J］.凈水技術，2016（4）：16-22.

［2］ 張雪花，胡鈞.固液界面納米氣泡的研究進展［J］.化學進展，2004，16（5）：673-681.

［3］ 胡鈞.水基礎科學與水處理技術應用領域交叉研究的前進與思考［J］.凈水技術，2016，35（1）：1-5.

［4］ 劉秋菊，熊若晗，宋艷芳，等.微納米氣泡在環境污染控制領域的應用［J］.環境與可持續發展，2017（3）：100-102.

［5］ 薛曉麗，張慧娟，楊文華，等.微納米氣泡技術及其在農業領域的應用［J］.農村科技，2017（8）：65-68.

［6］ 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）：1206-1213.

［7］ Takahashi M.，Kawamura T.，Yamamoto Y.，et al..Effect of shrinking microbubble on gas hydrate formation［J］.Journal of Physical Chemistry B，2003，107（10）：2171-2173.

［8］ 劉玉徳，吳剛，張浩，等.微納米氣泡的特性及其在果蔬中的應用［J］.食品科學技術學報，2016（11）：7.

［9］ 潘習習，徐建平.微納米氣泡基本特性及溶解氧的研究［J］.安徽工程大學學報，2015（2）：12-16.

［10］ Takashi M.，Kawamura T.，Yamamoto Y.，et al..Effect of shrinking micro bubble on gas hydrate formation［J］.The American Chemical Society，2003，107（10）：2171-2173.

［11］ Takahashi M..Zeta potential of microbubbles in aqueous solutions：electrical properties of the gas-water interface［J］.Journal of Physical Chemistry B，2005，109（46）：21858-21864.

［12］Takahashi M.，Chiba K.，Li P..Free-radical Generation from collapsingmicrobubbles in the absence of a dynamic stimulus［J］.Journal of Physical Chemistry B，2007，111（6）：1343-1347.

［13］ Ushikubo F.Y.，Furukawa T.，Nakagawa R.A.，et al..Evidence of the existence and the stability of nano-bubbles in water［J］.Colloids and Surfaces A-Physicochemical and Engineering Aspects，2010，361（1／3）：31-37.

［14］ Li P.， Takahashi M.， Chiba K.. Enhanced free-radical generation by shrinkingmicrobubbles using a copper catalyst［J］.Chemosphere，2009，77（8）：1157-1160.

［15］TakahashiM.，Chiba K.，Li P..Formation of hydroxyl radicals by collapsing ozone microbubbles under strongly acidic conditions［J］.Journal of Physical Chemistry B，2007，111（39）：11443-11446.

［16］ Li H.，Hu L.，Xia Z..Impact of groundwater salinity on bioremediation enhanced by micro-nano bubbles［J］.Materials（Basel），2013，6（9）：3676-3687.

［17］Féris L.A.，Gallina C.W.，Rodrigues R.T.，et al..Optimizing dissolved air flotation design and saturation［J］.Water Science and Technology，2001，43（8）：145-152.

［18］時玉龍，王三反，武廣，等.加壓溶氣氣浮微氣泡產生機理及工程應用研究［J］.工業水處理，2012（2）：20-23.

［19］熊永磊，楊小麗，宋海亮.微納米氣泡在水處理中的應用及其發生裝置研究［J］.環境工程，2016（6）：23-27.

［20］金強.微小氣泡發生裝置：中國，101491749［P］.2009-07-29.

［21］Fujikawa S.，Zhang R.，Hayama S.，etal..The controlofmicro-airbubble generation by a rotational porous plate［J］.International Journal of Multiphase Flow，2003，29（8）：1221-1236.

［22］徐振華，趙紅衛，方為茂，等.金屬微孔管制造微氣泡的研究及氣浮效果測試［J］.四川化工，2006，9（3）：1-3.

［23］靳明偉，丁建宇，凌智勇，等.超微細氣泡水體修復技術［J］.功能材料與器材學報，2008，14（1）：19-22.

［24］Xie G.X.，Luo J.B.，Liu S.H.，et al..Effect of external electric field on liquid film confined within nanogap［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2009，103：115502-115510.

［25］ Sakai Q.，Kimura M.，Shirafuji T.，et al..Underwater microdischarge in arranged microbubbles produced by electrolysis in electrolyte solution using fabric-type electrode［J］.Applied Physics Letters，2008，93：231501-231504.

［26］袁鵬，張景成，彭劍鋒，等.新型豎流氣浮反應器工作性能與應用研究［J］.環境工程學報，2007，1（1）：59-63.

［27］楊勇.旋噴加壓溶氣氣浮機理與實驗研究［D］.青島：青島理工大學，2007.

［28］Betteridge D.，Joslin M.T.，Lilley T..Acoustic emissions form chemical reactions［J］.Analytical Chemistry，1981，53（7）：1064-1073.

［29］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.

［30］Chu L.B.，Yan S.T.，Xing X.H.，et al..Enhanced sludge solubilization by microbubble ozonation［J］.Chemosphere，2008，72（2）：205-212.

［31］Chu L.B.，Xing X.H.，Yu A.F.，etal..Enhanced ozonation of simulated dyestuffwastewater bymicrobubbles［J］.Chemosphere，2007，68（10）：1854-1860.

［32］Liu S.，Wang Q.H.，Sun T.C.，et al..The effect of different types of micro-bubbles on the performance of the coagulation flotation process for coke waste-water［J］.Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2012，87（2）：206-215.

［33］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.

［34］Edzwald J.K..Principles and applications of dissolved air flotation［J］.Water Science and Technology，1995，31（3／4）：1-23.

［35］Liu S.，Wang Q.H.，Ma H.Z.，et al..Effect ofmicro-bubbles on coagulation flotation process of dyeing wastewater［J］.Separation and Purification Technology，2010，71（3）：337-346.

［36］Deng X.H.，Xu J.Y.，Wu Y.X.，et al..Research on the technology of oil removal by dynamic statemicro-bubbles flotation［J］.IndustrialWater Treatment，2011，31（4）：89-90.

［37］汪群慧，張鍵，翟學東，等.微氣泡氣浮與溶氣氣浮預處理餐飲含油廢水的研究［J］.黑龍江大學自然科學學報，2008，25（6）：789-801.

［38］ Okamoto K.，Hotta K.，Toyama T.，et al..Experiments on Purification of Ocean Sludge by Activating Microorganisms［C］.Hawaii：International Society of Offshore and Polar Engineers，2011.

［39］Jenkins K.B.，Michelsen D.L.，Novak J.T..Application of oxygen microbubbles for in situ biodegradation of p-xylenecontaminated groundwater in a soil column［J］.Biotechnological Progress，1993，9：394-400.

［40］龐志研，高強，余安仁，等.白云湖水利工程微納米氣泡發生裝置曝氣效果應用研究［J］.人民珠江，2015，36（2）：75-78.

［41］周云鵬，徐飛鵬，劉秀娟，等.微納米氣泡加氧灌溉對水培蔬菜生長與品質的影響［J］.灌溉排水學報，2016（8）：98-100.

［42］才碩.微納米氣泡增氧灌溉技術在水稻灌區節水減排中的應用研究［J］.節水灌溉，2016（9）：117-120.

［43］蔣程瑤，趙淑梅，程燕飛，等.微／納米氣泡水中的氧環境對葉菜種子發芽的影響［J］.北方園藝，2013（2）：28-30.

［44］ Park J.，Kim H.，Kim J.et al..Measurement of liquid-vapor phase distribution on nano-andmicrostructured boiling surfaces［J］.International Journal of Multiphase Flow，2016，81：67-76.

Research progress of mechanism and application of micro and nanobubble

Wang Yonglei1，Wang Wenhao1，Dai Shasha2，et al.
（1.School of Municipal and Environment Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shan dong Rizhao Vocational and Technical College，Rizhao 276800，China）

Compared with the traditional treatment technology，micro-nano bubbles show good technical advantages and application prospects in the field of environmental pollution control，such as sewage treatment，groundwater soil and water environment restoration.The application ofmicro-nano bubbles in various fields in recent years has great significance for the development ofmicro-nano bubbles in the future.From the aspects of residence time，gas-liquid mass transfer rate，interfacial potential，free radicals production，specific surface area，etc，this paper expounds the characteristics of themicro-nano bubbles different from ordinary bubble，reviews the current research status of the technicalmechanism of and related equipment of different methods of micro-nano bubbles occurrence like gas-releasing method，dispersing air method，electrolysis method and gas float pump gas production method，and summarizes the application status，existing problems and prospects of micro-nano bubbles in water treatment area like water body oxygen increase，ozone strengthening，air float and biological activity strengthening and in planting industry area like irrigation water treatment and crop growth promotion.

micro nano bubble；occurrence principle；water treatment；oxygen increase

TU996

A

1673-7644（2017）05-0474-07

10.12077／sdjz.2017.05.011

2017-09-05

山東省自然科學基金項目（ZR2016EEM32）；住房城鄉建設部科學技術計劃與北京未來城市設計高精尖創新中心開放課題資助項目“基于藻污染湖庫水源凈化的共聚氣浮關鍵技術研發與應用研究”（2017）；住房和城鄉建設部科學技術項目（2014-K5-026）；山東建筑大學博士基金項目 （XNBS1511）

王永磊（1977-），男，副教授，博士，主要從事水處理理論與技術等方面的研究.E-mail：wyl1016＠sdjzu.edu.cn［*

］

（學科責編：趙成龍）