微納米氣泡技術在噴涂廢氣治理中的應用

彭 芬

（1.航天凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100；2.工業生產環境技術湖南省重點實驗室，長沙 410100）

微納米氣泡技術在噴涂廢氣治理中的應用

彭 芬1,2

（1.航天凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100；2.工業生產環境技術湖南省重點實驗室，長沙 410100）

簡要介紹了微納米氣泡技術的工作原理及特性，通過試驗研究了該技術在噴涂廢氣治理中的應用情況。試驗主要分為漆霧捕捉及廢氣凈化兩部分，結果表明微納米氣泡技術對漆霧的捕捉效果較佳，對廢氣的凈化效率約為60%，可用作噴涂廢氣的前處理技術。

微納米氣泡；噴涂；廢氣治理；應用

1 概述

隨著經濟的快速發展，環境問題也日益嚴峻，近幾年嚴重的霧霾天氣讓社會意識到廢氣治理的重要性。揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）不僅危害生態系統，還是產生霧霾的“催化劑”，針對工業生產過程中產生的VOCs進行治理凈化，提高和改善作業人員的工作環境，維護人體的身心健康，是一件關系國計民生的大事。

根據《環境科學》（2013年第34卷第12期）統計表明，產生VOCs的行業眾多，其中，涂裝工業占一半以上。油漆經過噴槍霧化成微粒，只有40%～70%的油漆均勻涂覆于工件上，剩余的過噴漆量往往在噴漆過程中揮發散落在噴漆室內，形成漆霧。噴涂廢氣的治理主要包括漆霧及VOCs的治理，而微納米氣泡具有凈化漆霧和廢氣的雙重功能，本文就微納米氣泡技術對漆霧和廢氣的凈化效果進行了研究。

2 工作原理及特性

2.1 工作原理

微納米氣泡技術的工作原理是使水與空氣高度相溶混合，超聲波空化彌散釋放出高密度的、均勻的超微米氣泡，形成“乳白色”的氣液混合體。微納米氣泡通常是指直徑在50μm以下納米級的氣泡[1]，它使水分子的原子團變得更小，超氧納米氣泡中的氧容易溶入水分子原子團的間隙中，同時氧分子打破了水的界面使超微細氣泡更容易溶入水中，而水分子團始終進行著布朗運動，不斷地進行不規則沖撞。同時，超氧微納米氣泡也沉降、破裂。大量超氧微納米氣泡在水中溶解、破裂時，產生約5500℃的瞬間高溫，同時伴隨產生約每小時400公里的超聲波，并產生大量的氧負離子和羥基自由基等，進而達到去除污染物的目的。

根據亨利定律可知，氣體壓力與溶解度之間關系式如下：

由上式分析可知，氣體的壓力越大氣體的溶解度就越大，所以超微納米氣泡的溶解度比一般的氣泡更好，也就是說氣泡越小，表面曲率急速增加，內部壓力也同時急速增加，即所謂的強力加壓效果。

根據拉布拉斯定律可知，表面張力之氣泡內徑及氣泡內壓之間的關系式如下：

由上式分析可知，隨著表面張力的逐漸增大，氣泡內壓也逐漸增大。由于水中超微納米氣泡漸漸變小，內部壓力持續增加，最后在約4000大氣壓力下（微納米氣泡直徑在1nm以下）氣泡爆裂（即所謂的壓壞），瞬間產生超聲波及負氧離子等。

2.2 特性

微納米氣泡不僅體積比普通氣泡要小很多，且具有不同于普通氣泡的一些特殊性質。

（1）存在時間長

普通氣泡在水中產生后，會迅速上升到水面并破裂消失，氣泡存在的時間短，而微納米氣泡一經產生，在水中上升的速度較慢，從產生到破裂通常需要幾十秒甚至幾分鐘，而且在上升的過程中，體積會不斷收縮并最終在水中溶解消失，如圖1所示。對于微納米氣泡來說，體積越小的氣泡在水中的上升速度就越慢。

圖1 普通氣泡、微納米氣泡與納米氣泡的區別

（2）傳質效率高

研究表明，氣液傳質速率和效率與氣泡直徑成反比[2～4]。這時表面張力對內部氣體產生了壓縮作用，使得微納米氣泡在上升過程中不斷收縮并表現出自身增壓效應。微納米氣泡在收縮過程中的自身增壓特性，可使氣液界面保持高效的傳質效率。

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（3）釋放自由基

微納米氣泡爆破時產生的局部高溫高壓及氣液界面上電荷的高濃度富集促使大量的羥基自由基產生。羥基自由基具有超高的氧化還原電位，其產生的超強氧化作用可降解正常條件下難以氧化分解的污染物。研究結果證實，使用臭氧作為微納米氣泡承載氣體更容易產生大量羥基自由基，將難降解的有機物氧化為無機物[5、6]。

（4）無二次污染

微納米氣泡技術無需任何添加劑，只用普通的自來水即可，無二次污染。

3 在噴涂廢氣治理中的應用

微納米氣泡具有氣液接觸面積大、氣體傳質速率快、液體中停留時間較長、釋放大量羥基自由基及無二次污染等優點，可廣泛應用于環境保護領域中廢水、廢氣等的治理[7、8]。

3.1 漆霧捕捉

微納米氣泡不僅表面電荷產生的ζ電位高，且比表面積大，因此微納米氣泡技術對漆霧表現出了良好的吸附效果與高效的去除率，將微納米氣泡技術與改性絮凝工藝聯用，對漆霧的捕捉效果更佳。

3.2 廢氣凈化

微納米氣泡破裂時釋放出的羥基自由基，可氧化分解很多有機污染物，目前已在環境保護多個領域表現出了潛在的應用前景。為了促使微納米氣泡在水中能夠產生更多的羥基自由基，常采用其它強氧化手段進行協同作用，如紫外線、純氧以及臭氧等強氧化手段，以更好地發揮對有機污染物的氧化分解作用。

4 試驗介紹

針對微納米氣泡技術在噴涂廢氣治理中的應用進行試驗，微納米氣泡凈化裝置詳見圖2。試驗主要分為兩部分：一是針對漆霧的捕捉，二是針對廢氣的凈化。漆霧的捕捉效果主要根據整體視覺觀察以及用手感覺消粘情況，廢氣的凈化效率根據便捷式VOCs檢測儀測得數據進行計算。

圖2 微納米氣泡凈化裝置

該試驗屬于簡易試驗，采取直接將噴槍置于微納米氣泡進風口正前方一定距離。首先，微納米氣泡發生裝置不開啟，將噴淋打開（圖3左圖），接著將噴槍打開，以一定的噴射速度和噴量進行噴漆（圖3右圖），待廢氣濃度穩定后，用便攜式廢氣濃度檢測儀測得廢氣凈化前的初始數據，再打開微納米氣泡發生器，一段時間后，測得凈化后的數據，試驗后觀察漆霧捕捉情況如圖4，凈化前后的廢氣濃度數據見下表。

圖3 微納米氣泡噴涂廢氣凈化試驗

圖4 微納米氣泡漆霧捕捉效果

廢氣凈化前后數據表

從試驗圖片可看出，漆霧捕捉效果較佳，成團塊聚集，打撈后即可將漆霧予以凈化。從得到的試驗數據可知，微納米氣泡技術對噴涂廢氣有一定的凈化效果，但效率不是很高，在60%左右。整體來說，微納米氣泡技術可作為噴涂廢氣漆霧捕捉和廢氣初步凈化的處理技術。

5 展望

微納米氣泡技術具有無二次污染、強化凈化效果、運行費用低等優點，是一種新型的環境友好型處理技術。

目前，微納米氣泡尚存在一些待研究及改進之處：一是微納米氣泡技術在新領域中的應用還受到理論研究以及微納米氣泡產生方法的限制，特別是要加強微納米氣泡產生原理方法的研究；二是微納米氣泡技術在廢氣治理領域的應用效果有限，需進一步強化凈化效果，如與其他凈化技術聯用等；三是微納米氣泡的發生裝置普遍能耗高、價格貴，限制了對微納米氣泡技術的應用。因此，開發出低成本、低能耗、性能優越、適于推廣的實用型微納米氣泡發生裝置也是目前研究的方向。

[1] 張磊，劉平，劉春.微納米氣泡及其在環境污染控制中的應用[J].河北工業科技，2011，28（1）：59-63．

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[5] SHIN W T, M IRM IRAN A, YIACOUM I S, et al.Ozonation using m icrobubble form ed by electric fields[J]. Separation and Purification technology,1999,15:271-282.

[6] CHU L B,YAN S T,XING X H, et al. Enhanced sludge solubilization by m icrobubble ozonation[J].Chem osphere, 2008, 72:205-212.

[7] TAKAHASHI M，KAWAMURA T，YAMAMOTO Y，et al.Effect of shrinking m icrobubbl on gas hydrate form ation[J]. J Phys Chem B, 2003, 107(10): 2171-2173.

[8] 王帥，李攀，于水利.微納米氣泡特性及其在環境領域的應用[J].中國給水排水，2013，29（20）：22-25．

Application of M icro/Nano Bubbles Technology in Waste Gas Treatment of Spraying and Smearing

PENG Fen

X701

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1006-5377（2017）05-0035-03