微納米氣泡的特性表征研究*

李中楊，廖國柔，詹 興，周鳳鳳

(1 西南科技大學制造科學與工程學院，制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010；2 佛山市云米電器科技有限公司創(chuàng)新研究中心實驗室，廣東 佛山 528300)

微納米氣泡(Micro-nano bubble)主要由直徑在1～100 μm的微米氣泡和直徑小于1 μm的納米氣泡組成[1-2]。相比于普通氣泡，微納米氣泡具有獨特的表面物理化學性能[3-4]，如自身體積小、上升速度慢、比表面積大、界面電位高等諸多優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用在農(nóng)漁業(yè)[5]、污水處理[6]、土壤凈化等諸多領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

微納米氣泡產(chǎn)生的主要方式有電解法、超聲空化法、噴射法、溶解釋氣法[7]。而噴射法主要是利用液體流道的急劇縮小，流速增大，根據(jù)Bernouli方程，當液流速度達到一定值時，液體內(nèi)部會產(chǎn)生負壓，此時溶解在液體中的氣會釋放，最終形成微納米氣泡。目前針對微納米氣泡性能的研究受到了國內(nèi)外眾多學者的密切關(guān)注。劉釗等[8]在溶氣法微氣泡生成機理分析的基礎(chǔ)上，進行了空氣和氮氣、氧氣微氣泡生成實驗，總結(jié)了不同溶氣氣泡生成規(guī)率；李永健等[4]利用超聲空化和微納米氣泡曝氣器兩種方式產(chǎn)生微納米氣泡，并利用動態(tài)光散射技術(shù)對微納米氣泡的粒徑分布、停留時間、ζ電位和·OH等進行了深入研究；廖世雙[9]等通過激光粒度儀，納米粒徑電位分析儀以及表面張力儀等手段研究水力空化過程產(chǎn)生的微納米氣泡性質(zhì)進行了研究；Sadatomi等[10]采用新型發(fā)生器進行微氣泡生成實驗，研究了管徑比和引氣口位置、數(shù)量、尺寸等因素對微氣泡生成數(shù)量與尺寸的影響。

綜上所述，當前國內(nèi)外學者主要采用溶解釋氣法[11-12]對微納米氣泡進行廣泛研究，而采用噴射法產(chǎn)生微納米氣泡的研究還相對較少，因此，本文將基于噴射法產(chǎn)生微納米氣泡，重點探究文丘里管內(nèi)徑、氣泡發(fā)生器孔徑和級數(shù)等因素對微納米氣泡粒徑分布的影響，為后期微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)的理論設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 實驗系統(tǒng)的搭建及粒徑表征

1.1 實驗系統(tǒng)的搭建

微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)主要由減壓閥、文丘里管、單向閥、流量調(diào)節(jié)閥、泵(利佳寶，LJB-0865-800G)、壓力表、氣泡發(fā)生器等組成，如圖1所示。其工作原理是依靠文丘里管先對水進行節(jié)流，再利用泵前的負壓實現(xiàn)自動吸氣，通過泵增壓后的溶氣水在多級氣泡發(fā)生器里形成高背壓，因流速增大、壓強降低，使得溶于水中的空氣被大量釋放出來形成微納米氣泡水。

注：1-進水口，2-減壓閥，3-文丘里管，4-單向閥，5-流量調(diào)節(jié)閥， 6-進氣口，7-泵，8-壓力表， 9-氣泡發(fā)生器，10-微納米氣泡出口圖1 微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of micro-nano bubble formation system

1.2 微納米氣泡粒徑的表征

采用粒度儀(PARTICLE SIZING SYSTEMS 780SIS、美國，測量精度為0.5～500 μm)對微納米氣泡的粒徑進行表征。首先，設(shè)計制備了直徑d為2.7 mm、2.8 mm、2.9 mm的文丘里管內(nèi)徑和直徑d為0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm的氣泡發(fā)生器孔徑，隨后啟動微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)，調(diào)節(jié)減壓閥和流量調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)進行正常工作，迅速產(chǎn)生大量的微納米氣泡；再利用測試吸管取8 mL樣品，并迅速放置于粒徑儀下，測量微納米氣泡的粒徑分布。為了減小測試誤差，同一條件下重復(fù)3次，結(jié)果取平均值(實驗結(jié)果只記錄粒徑≤100 μm的數(shù)據(jù))。

2 結(jié)果與討論

2.1 文丘里管內(nèi)徑對粒徑分布的影響

由圖2和圖3可以看出，隨著文丘里管內(nèi)徑由2.7 mm增至2.9 mm，微納米氣泡粒徑會隨著文丘里管內(nèi)徑增加呈先減小后增大的趨勢，當文丘里管內(nèi)徑由2.7 mm增至2.9 mm時，微納米氣泡的平均粒徑由10.88 μm先減小至3.069 μm，隨后增大至7.997 μm。這主要是由于內(nèi)徑的增加，系統(tǒng)背壓會略微降低，更加有利于溶氣水充分混合，微納米氣泡的粒徑會有所減小，當內(nèi)徑繼續(xù)增至某一值時，背壓會急劇減小，導致微納米氣泡的直徑會有所增大。

圖3 不同內(nèi)徑下，微納米氣泡直徑累計分布曲線Fig.3 Different inner diameter， micro-nano bubble diameter cumulative distribution curve

由圖2還可以看出，微納米氣泡粒徑分布的峰值主要集中在0～10 μm和40～80 μm之間；由圖3還可以看出，當文丘里管內(nèi)徑為2.8 mm時，直徑小于10 μm的微納米氣泡在總數(shù)中所占比例達到90%。

2.2 氣泡發(fā)生器孔徑對粒徑分布的影響

由圖4和圖5可以看出，隨著氣泡發(fā)生器孔徑從0.7 mm增至0.9 mm，微納米氣泡的粒徑會隨著氣泡發(fā)生器孔徑增加呈遞減趨勢。當氣泡發(fā)生器孔徑由0.7 mm增至0.9 mm時，微納米氣泡的平均粒徑由4.106 μm減小到2.954 μm。這主要是由于孔徑的增加，系統(tǒng)背壓會略微逐漸降低，有利于溶氣水充分混合，微納米氣泡的粒徑會逐漸減小。

圖4 不同孔徑下，微納米氣泡直徑分布曲線Fig.4 Different aperture， micro-nano bubble diameter distribution curve

圖5 不同孔徑下，微納米氣泡直徑累計分布曲線Fig.5 Different aperture， micro-nano bubble diameter cumulative distribution curve

由圖5還可以看出，微納米氣泡分布區(qū)間較窄，其直徑峰值主要集中在0～10 μm之間，且所占氣泡數(shù)量的比例將達到96%。

2.3 氣泡發(fā)生器級數(shù)對粒徑分布的影響

由圖6和圖7可以看出，隨著氣泡發(fā)生器級數(shù)由1級增至3級，微納米氣泡的粒徑隨著氣泡發(fā)生器級數(shù)增加基本保持一致，表明氣泡發(fā)生器級數(shù)對微納米氣泡粒徑的影響較小。圖6還可以看出，微納米氣泡分布區(qū)間較窄，其直徑峰值主要集中在0～10 μm之間，且所占氣泡數(shù)量的比例將達到97%。

圖6 不同級數(shù)下，微納米氣泡直徑分布曲線Fig.6 Different levels， micro-nano bubble diameter distribution curve

圖7 不同級數(shù)下，微納米氣泡直徑累計分布曲線Fig.7 Different levels， micro-nano bubble diameter cumulative distribution curve

3 結(jié) 論

基于噴射法原理，探究了文丘里管內(nèi)徑、氣泡發(fā)生器孔徑和級數(shù)等因素對微納米氣泡粒徑的影響。經(jīng)實驗測試，得出如下結(jié)論：(1)隨著文丘里管內(nèi)徑由2.7 mm增至2.9 mm，微納米氣泡的粒徑隨著文丘里管內(nèi)徑增加呈先減小后增大趨勢，當文丘里管內(nèi)徑由2.7 mm增至2.9 mm時，微納米氣泡的平均粒徑由10.88 μm先減小至3.069 μm，后增大至7.997 μm； (2)隨著氣泡發(fā)生器孔徑從0.7 mm增加至0.9 mm，微納米氣泡的粒徑隨著氣泡發(fā)生器孔徑增加呈遞減趨勢，當氣泡發(fā)生器孔徑由0.7 mm增至0.9 mm時，微納米氣泡的平均粒徑由4.106 μm減小至2.954 μm；(3)隨著氣泡發(fā)生器級數(shù)由1級增至3級，微納米氣泡的粒徑隨著氣泡發(fā)生器級數(shù)增加基本保持一致。綜合上述分析，本研究為微納米氣泡系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論依據(jù)，對微納米氣泡系統(tǒng)的進一步設(shè)計、優(yōu)化具有重要作用。