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微纳米气泡产生机制及应用现状

发布时间:2018-08-01 浏览量:104

一般把直径在0.1~50μm的纤细气泡称为微纳米气泡,其具有与一般气泡不同的特性,这一点已引起人们的留心。早在1970年,Bowonder等就现已研讨了多孔盘制造气泡的技术[1];1979年,Takahashi等展开了对压力溶气分出气泡技术的研讨[2];1991年Ketkar等展开了对电解分出气泡技术的研讨,使得微纳米气泡的发作方法得到了丰盛和展开,如剪切法、加压溶解法、电解法等[3]。
现在,微纳米气泡现已得到了广泛的注重和研讨,由于微纳米气泡发作设备在构成气泡的浓度、标准均匀性以及设备能耗等方面与传统气泡发作设备比较都有较大的优势,因此在化工、环境和医学等方面具有出色的运用前景。微纳米气泡由于标准较小,能表现出有别于一般气泡的特性,如存在时间长、较高的界面ζ电位和传质功率高档特性。
2.1存在时间长
一般气泡由于标准较大在水中遭到的浮力远大于本身重力,因此会敏捷上升到水面而分裂。而微纳米气泡由于本身体积很小,在水中所受浮力相应也很小,然后表现出上升缓慢的特性[4],如图1所示。如直径为1mm的气泡在水中上升的速度为6m/min,而直径为10μm的2.2较高的界面ζ电位
微纳米气泡的界面ζ电位表明由于气泡表面吸附有电荷离子的双电层而构成的电势差,这是影响气泡表面吸附功能的重要因素[5]。双电层结构由带负电的表面电荷离子层(如OH-)等和带正电的反电荷离子层(如H3O+)等组成气泡在水中上升速度仅为3mm/min,后者是前者的1/2000。2.3 传质功率高
当气泡直径较小时,微纳米气泡遭到表面张力影响,使得气泡内部压力远大于外界液体压力,然后紧缩气泡内部气体构成了自增压效应。当气泡内部发作自增压时,内部压力不断增大,然后促进了气泡内部气体穿过气液界面溶解到液相中。因此,微纳米气泡的这种自增压效应,可有用前进气液界面的传质功率。由于微纳米气泡不但具有一般小气泡的特性,还具有较高的界面ζ电位、传质功率高的特征,使其在与界面科学相关的技术领域有着出色的运用前景。现在微纳米气泡的理论研讨现已老到,根据发作理论,研讨人员已开宣布许多具有代表性的微纳米气泡发作设备,如加压溶气气泡发作设备、扩散板气泡发作设备和电解气泡发作设备等。 微纳米气泡发作机制
现在根据气泡发作机制可将微纳米气泡发作技术首要分为加压溶气法、引气诱导法以及电解分出法等方法。
3.1 加压溶气法
加压溶气的基本原理是,首要将空气或其它气体在必定压力作用下溶解于待处理的原水中,并抵达饱和状态,随后下降溶气水的压力,使溶解在其间的气体以微细气泡方式逸出。传统加压溶气构成的气泡纤细,但需求配气体增压运送设备(如空压机等)、填料溶气罐、释气器(如减压阀)等设备,致使系统组成较为凌乱、工作能耗较高、设备占地面积较大等。
跟着多相流泵送技术的日益老到,多相溶气泵越来越多的替代了传统加压溶气系统中的空压机、填料溶气罐等设备,在一台多相溶气泵内结束水增压、气体吸入、气体溶解剪切进程,泵出口的液体中就含有许多的微细气泡。现在已知的多相流泵有美国ExterranTM 公司的ONYX-Micro Bubble泵、德国西门子公司的BriseTM IGF泵、德国Edur公司的溶气泵、日本NIKUNI公司的涡流泵等,其间德国Edur公司的溶气泵产品线最为丰盛、运用最为广泛[6]。多相溶气泵系统配置简略,工作维护便当,但其功耗和泵本身的本钱问题不容忽视。
3.2 引气诱导法
引气诱导法有机械诱导和水力诱导两种方法。
机械诱导法也称叶轮旋切法,首要依托电动机带动叶轮旋转,作业腔室所发作的负压环境致使气体自动进入,随后结束剪切以发作微气泡。该方法的首要缺陷是机械系统所具有的翻滚部件维护凌乱,一同系统无法进行回流操作;且叶轮旋切存在液位控制难度较大、较易呈现短流和死流区等缺乏,一同发作的微气泡粒径与叶轮旋切强度密切相关,微气泡粒径较大且不均匀。
水力诱导法也称射流法,自20世纪80年代末在油气田或石化企业采油污水处理中得到了广泛运用。射流法发作微气泡的要害元器件是射流器或高速文丘里管,喉管段水流流速较高、压力较低,致使气体自动进入,随后结束剪切以发作微气泡。射流法的电能消耗低,一同射流器和高速文丘里管内没有翻滚部件,剪切力较小,不会构成粘附体的破散。可是发作的微气泡粒径较大,并且其功率受射流器或高速文丘里管出口孔径的影响较大,对进入喷嘴的水质和压力要求较为严苛,较小的不坚定可能会对净化功率构成较大影响。
3.3 电解分出法
电解法通过电极电解水的方法发作氢气和氧气来取得微纳米气泡。微观电极由于气泡的附着效应,电解发作的气泡标准都比较大。Osamu Sakai等人通过运用200μm的金属纤维编制成的金属网作为电极在水中电解得到许多均匀直径为777nm的微气泡,GX Xie等人运用高度抛光金属球表面的纳米级微凸起作为电极,在水和甘油混合液中电解,得到许多均匀标准为6μm的微气泡[7]。可是电解法发作微气泡存在耗能高,气泡发作量小的问题,不利于该技术在实践工业生产中推行运用。
微纳米气泡的运用
微纳米气泡具有气泡标准小、比表面积大、吸附功率高、在水中上升速度慢等特征。在水中通入微纳米气泡,可有用分别水中的固体杂质、快速前进水体氧浓度、杀灭水中有害病菌、下降固液界面摩擦系数,然后在气浮清水技术、水体增氧、臭氧水消毒和微纳气泡减阻等领域中运用比微观气泡有更高的功率,运用前景也更为广阔。而在生物制药、精密化学反应、气泡逻辑电路等前沿运用领域,需求对单个气泡进行高精度操作控制,完结微气泡的吸附水平、溶解速度等参数定量化[7]。
4.1 在气浮清水中的运用
气浮法作为一种高效的固液分别技术,最先在选矿中运用,自从二十世纪七十年代以来,该技术在水处理领域得到敏捷展开,现在已较广泛地运用于水体的净化处理。传统的气浮方法通过电解、曝气和溶气等方法在水中发作许多肉眼可见的微观气泡。由于气泡本身带电荷,通过气泡吸附水体中的悬浮物,在浮力作用下把悬浮物带到水面,即可完结固体悬浮物与水体分别。
4.2 在生物制药中的运用
以微气泡作为载体在药物、基因运载方面展开敏捷。研讨者发现微气泡可作为一种高效的载体,运载基因或药物到靶组织,并在超声波作用下分裂,将所载基因或药物开释到靶组织内,然后前进基因或药物的运用功率的一同削减对其他健康组织的危害。微气泡首要通过将药物吸附包裹在其表面方法运载药物,不同标准的微气泡包裹的药量也不同,通过控制微气泡的标准就可定量控制运送药物的多少。杨春江等人通过运用粒径散布在2μm到6μm范围内的可控紫杉醇载药脂质微气泡,运送药物到肿瘤组织邻近,并运用超声波使微泡分裂将其带着药物开释,取得了出色的实验作用,该技术有望完结在实时监控下的体内定点靶向给药。
4.3 在精密化学反应中的运用
微气泡在精密化学反应中首要首要通过微气泡包裹或隔绝反应材料,继而进入微管道或微容腔内使被气泡隔绝的反应物相接触,在催化剂或超声波作用下发作化学反应,通过控制气泡的大小则能高精度的控制参与反应的材料多少,然后精密的控制化学反应的进程。Cravotto等人通过运用20kHz,8.7W/cm2超声波控制微气泡溃灭的方法完结了一些常温常压不能进行的有机化学反应高精度定量控制。Zheng B等人通过运用标准可控的微气泡隔绝蛋白质和凝结剂,然后在100μm的微流道内混合,完结了对蛋白质结晶反应的高精度定量控制。


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