微纳米气泡技术在喷涂废气治理中的应用

彭 芬

（1.航天凯天环保科技股份有限公司，长沙 410100；2.工业生产环境技术湖南省重点实验室，长沙 410100）

微纳米气泡技术在喷涂废气治理中的应用

彭 芬1,2

（1.航天凯天环保科技股份有限公司，长沙 410100；2.工业生产环境技术湖南省重点实验室，长沙 410100）

简要介绍了微纳米气泡技术的工作原理及特性，通过试验研究了该技术在喷涂废气治理中的应用情况。试验主要分为漆雾捕捉及废气净化两部分，结果表明微纳米气泡技术对漆雾的捕捉效果较佳，对废气的净化效率约为60%，可用作喷涂废气的前处理技术。

微纳米气泡；喷涂；废气治理；应用

1 概述

随着经济的快速发展，环境问题也日益严峻，近几年严重的雾霾天气让社会意识到废气治理的重要性。挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）不仅危害生态系统，还是产生雾霾的“催化剂”，针对工业生产过程中产生的VOCs进行治理净化，提高和改善作业人员的工作环境，维护人体的身心健康，是一件关系国计民生的大事。

根据《环境科学》（2013年第34卷第12期）统计表明，产生VOCs的行业众多，其中，涂装工业占一半以上。油漆经过喷枪雾化成微粒，只有40%～70%的油漆均匀涂覆于工件上，剩余的过喷漆量往往在喷漆过程中挥发散落在喷漆室内，形成漆雾。喷涂废气的治理主要包括漆雾及VOCs的治理，而微纳米气泡具有净化漆雾和废气的双重功能，本文就微纳米气泡技术对漆雾和废气的净化效果进行了研究。

2 工作原理及特性

2.1 工作原理

微纳米气泡技术的工作原理是使水与空气高度相溶混合，超声波空化弥散释放出高密度的、均匀的超微米气泡，形成“乳白色”的气液混合体。微纳米气泡通常是指直径在50μm以下纳米级的气泡[1]，它使水分子的原子团变得更小，超氧纳米气泡中的氧容易溶入水分子原子团的间隙中，同时氧分子打破了水的界面使超微细气泡更容易溶入水中，而水分子团始终进行着布朗运动，不断地进行不规则冲撞。同时，超氧微纳米气泡也沉降、破裂。大量超氧微纳米气泡在水中溶解、破裂时，产生约5500℃的瞬间高温，同时伴随产生约每小时400公里的超声波，并产生大量的氧负离子和羟基自由基等，进而达到去除污染物的目的。

根据亨利定律可知，气体压力与溶解度之间关系式如下：

由上式分析可知，气体的压力越大气体的溶解度就越大，所以超微纳米气泡的溶解度比一般的气泡更好，也就是说气泡越小，表面曲率急速增加，内部压力也同时急速增加，即所谓的强力加压效果。

根据拉布拉斯定律可知，表面张力之气泡内径及气泡内压之间的关系式如下：

由上式分析可知，随着表面张力的逐渐增大，气泡内压也逐渐增大。由于水中超微纳米气泡渐渐变小，内部压力持续增加，最后在约4000大气压力下（微纳米气泡直径在1nm以下）气泡爆裂（即所谓的压坏），瞬间产生超声波及负氧离子等。

2.2 特性

微纳米气泡不仅体积比普通气泡要小很多，且具有不同于普通气泡的一些特殊性质。

（1）存在时间长

普通气泡在水中产生后，会迅速上升到水面并破裂消失，气泡存在的时间短，而微纳米气泡一经产生，在水中上升的速度较慢，从产生到破裂通常需要几十秒甚至几分钟，而且在上升的过程中，体积会不断收缩并最终在水中溶解消失，如图1所示。对于微纳米气泡来说，体积越小的气泡在水中的上升速度就越慢。

图1 普通气泡、微纳米气泡与纳米气泡的区别

（2）传质效率高

研究表明，气液传质速率和效率与气泡直径成反比[2～4]。这时表面张力对内部气体产生了压缩作用，使得微纳米气泡在上升过程中不断收缩并表现出自身增压效应。微纳米气泡在收缩过程中的自身增压特性，可使气液界面保持高效的传质效率。

有人说，那是我们的浪荡岁月，没有压力地过生活，在那个时期的喜好也被镀了层金，打上光线，看上去分外迷人。那些轻飘飘的时光，轻到不看过去，不问将来。为什么不问？因为问了就有责任了，有责任就是成年人，成年人的世界凄苦，这种苦让你午夜梦回到那些轻盈时光，心底泛起惆怅的暖意。

（3）释放自由基

微纳米气泡爆破时产生的局部高温高压及气液界面上电荷的高浓度富集促使大量的羟基自由基产生。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解正常条件下难以氧化分解的污染物。研究结果证实，使用臭氧作为微纳米气泡承载气体更容易产生大量羟基自由基，将难降解的有机物氧化为无机物[5、6]。

（4）无二次污染

微纳米气泡技术无需任何添加剂，只用普通的自来水即可，无二次污染。

3 在喷涂废气治理中的应用

微纳米气泡具有气液接触面积大、气体传质速率快、液体中停留时间较长、释放大量羟基自由基及无二次污染等优点，可广泛应用于环境保护领域中废水、废气等的治理[7、8]。

3.1 漆雾捕捉

微纳米气泡不仅表面电荷产生的ζ电位高，且比表面积大，因此微纳米气泡技术对漆雾表现出了良好的吸附效果与高效的去除率，将微纳米气泡技术与改性絮凝工艺联用，对漆雾的捕捉效果更佳。

3.2 废气净化

微纳米气泡破裂时释放出的羟基自由基，可氧化分解很多有机污染物，目前已在环境保护多个领域表现出了潜在的应用前景。为了促使微纳米气泡在水中能够产生更多的羟基自由基，常采用其它强氧化手段进行协同作用，如紫外线、纯氧以及臭氧等强氧化手段，以更好地发挥对有机污染物的氧化分解作用。

4 试验介绍

针对微纳米气泡技术在喷涂废气治理中的应用进行试验，微纳米气泡净化装置详见图2。试验主要分为两部分：一是针对漆雾的捕捉，二是针对废气的净化。漆雾的捕捉效果主要根据整体视觉观察以及用手感觉消粘情况，废气的净化效率根据便捷式VOCs检测仪测得数据进行计算。

图2 微纳米气泡净化装置

该试验属于简易试验，采取直接将喷枪置于微纳米气泡进风口正前方一定距离。首先，微纳米气泡发生装置不开启，将喷淋打开（图3左图），接着将喷枪打开，以一定的喷射速度和喷量进行喷漆（图3右图），待废气浓度稳定后，用便携式废气浓度检测仪测得废气净化前的初始数据，再打开微纳米气泡发生器，一段时间后，测得净化后的数据，试验后观察漆雾捕捉情况如图4，净化前后的废气浓度数据见下表。

图3 微纳米气泡喷涂废气净化试验

图4 微纳米气泡漆雾捕捉效果

废气净化前后数据表

从试验图片可看出，漆雾捕捉效果较佳，成团块聚集，打捞后即可将漆雾予以净化。从得到的试验数据可知，微纳米气泡技术对喷涂废气有一定的净化效果，但效率不是很高，在60%左右。整体来说，微纳米气泡技术可作为喷涂废气漆雾捕捉和废气初步净化的处理技术。

5 展望

微纳米气泡技术具有无二次污染、强化净化效果、运行费用低等优点，是一种新型的环境友好型处理技术。

目前，微纳米气泡尚存在一些待研究及改进之处：一是微纳米气泡技术在新领域中的应用还受到理论研究以及微纳米气泡产生方法的限制，特别是要加强微纳米气泡产生原理方法的研究；二是微纳米气泡技术在废气治理领域的应用效果有限，需进一步强化净化效果，如与其他净化技术联用等；三是微纳米气泡的发生装置普遍能耗高、价格贵，限制了对微纳米气泡技术的应用。因此，开发出低成本、低能耗、性能优越、适于推广的实用型微纳米气泡发生装置也是目前研究的方向。

[1] 张磊，刘平，刘春.微纳米气泡及其在环境污染控制中的应用[J].河北工业科技，2011，28（1）：59-63．

[2] ASHLEY K I, MAVINIC D S, HALL K J. Bench-scale study of oxygen transfer in coarse bubble diffused aeration[J]. W ater Research, 1992, 26: 1289-1295. [3] BURRIS V L,LITTLE J C. Bubb le dynam ics and oxygen transfer in a hypolim netic aerator[J]. W ater Science and Technology, 1998, 37: 293-300.

[4] MCGINNIS D F, LITTLE J C. Predicting diffused-bubb le oxygen transfer rate using the discrete-bubble m odel[J]. W ater Research,2002,36: 4627-4635.

[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] 王帅，李攀，于水利.微纳米气泡特性及其在环境领域的应用[J].中国给水排水，2013，29（20）：22-25．

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

PENG Fen

X701

A

1006-5377（2017）05-0035-03