微纳米气泡的特性表征研究*

李中杨，廖国柔，詹 兴，周凤凤

(1 西南科技大学制造科学与工程学院，制造过程测试技术教育部重点实验室，四川 绵阳 621010；2 佛山市云米电器科技有限公司创新研究中心实验室，广东 佛山 528300)

微纳米气泡(Micro-nano bubble)主要由直径在1～100 μm的微米气泡和直径小于1 μm的纳米气泡组成[1-2]。相比于普通气泡，微纳米气泡具有独特的表面物理化学性能[3-4]，如自身体积小、上升速度慢、比表面积大、界面电位高等诸多优点，被广泛地应用在农渔业[5]、污水处理[6]、土壤净化等诸多领域，具有广阔的应用前景。

微纳米气泡产生的主要方式有电解法、超声空化法、喷射法、溶解释气法[7]。而喷射法主要是利用液体流道的急剧缩小，流速增大，根据Bernouli方程，当液流速度达到一定值时，液体内部会产生负压，此时溶解在液体中的气会释放，最终形成微纳米气泡。目前针对微纳米气泡性能的研究受到了国内外众多学者的密切关注。刘钊等[8]在溶气法微气泡生成机理分析的基础上，进行了空气和氮气、氧气微气泡生成实验，总结了不同溶气气泡生成规率；李永健等[4]利用超声空化和微纳米气泡曝气器两种方式产生微纳米气泡，并利用动态光散射技术对微纳米气泡的粒径分布、停留时间、ζ电位和·OH等进行了深入研究；廖世双[9]等通过激光粒度仪，纳米粒径电位分析仪以及表面张力仪等手段研究水力空化过程产生的微纳米气泡性质进行了研究；Sadatomi等[10]采用新型发生器进行微气泡生成实验，研究了管径比和引气口位置、数量、尺寸等因素对微气泡生成数量与尺寸的影响。

综上所述，当前国内外学者主要采用溶解释气法[11-12]对微纳米气泡进行广泛研究，而采用喷射法产生微纳米气泡的研究还相对较少，因此，本文将基于喷射法产生微纳米气泡，重点探究文丘里管内径、气泡发生器孔径和级数等因素对微纳米气泡粒径分布的影响，为后期微纳米气泡发生系统的理论设计奠定基础。

1 实验系统的搭建及粒径表征

1.1 实验系统的搭建

微纳米气泡发生系统主要由减压阀、文丘里管、单向阀、流量调节阀、泵(利佳宝，LJB-0865-800G)、压力表、气泡发生器等组成，如图1所示。其工作原理是依靠文丘里管先对水进行节流，再利用泵前的负压实现自动吸气，通过泵增压后的溶气水在多级气泡发生器里形成高背压，因流速增大、压强降低，使得溶于水中的空气被大量释放出来形成微纳米气泡水。

注：1-进水口，2-减压阀，3-文丘里管，4-单向阀，5-流量调节阀， 6-进气口，7-泵，8-压力表， 9-气泡发生器，10-微纳米气泡出口图1 微纳米气泡发生系统示意图Fig.1 Schematic diagram of micro-nano bubble formation system

1.2 微纳米气泡粒径的表征

采用粒度仪(PARTICLE SIZING SYSTEMS 780SIS、美国，测量精度为0.5～500 μm)对微纳米气泡的粒径进行表征。首先，设计制备了直径d为2.7 mm、2.8 mm、2.9 mm的文丘里管内径和直径d为0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm的气泡发生器孔径，随后启动微纳米气泡发生系统，调节减压阀和流量调节阀，系统进行正常工作，迅速产生大量的微纳米气泡；再利用测试吸管取8 mL样品，并迅速放置于粒径仪下，测量微纳米气泡的粒径分布。为了减小测试误差，同一条件下重复3次，结果取平均值(实验结果只记录粒径≤100 μm的数据)。

2 结果与讨论

2.1 文丘里管内径对粒径分布的影响

由图2和图3可以看出，随着文丘里管内径由2.7 mm增至2.9 mm，微纳米气泡粒径会随着文丘里管内径增加呈先减小后增大的趋势，当文丘里管内径由2.7 mm增至2.9 mm时，微纳米气泡的平均粒径由10.88 μm先减小至3.069 μm，随后增大至7.997 μm。这主要是由于内径的增加，系统背压会略微降低，更加有利于溶气水充分混合，微纳米气泡的粒径会有所减小，当内径继续增至某一值时，背压会急剧减小，导致微纳米气泡的直径会有所增大。

图3 不同内径下，微纳米气泡直径累计分布曲线Fig.3 Different inner diameter， micro-nano bubble diameter cumulative distribution curve

由图2还可以看出，微纳米气泡粒径分布的峰值主要集中在0～10 μm和40～80 μm之间；由图3还可以看出，当文丘里管内径为2.8 mm时，直径小于10 μm的微纳米气泡在总数中所占比例达到90%。

2.2 气泡发生器孔径对粒径分布的影响

由图4和图5可以看出，随着气泡发生器孔径从0.7 mm增至0.9 mm，微纳米气泡的粒径会随着气泡发生器孔径增加呈递减趋势。当气泡发生器孔径由0.7 mm增至0.9 mm时，微纳米气泡的平均粒径由4.106 μm减小到2.954 μm。这主要是由于孔径的增加，系统背压会略微逐渐降低，有利于溶气水充分混合，微纳米气泡的粒径会逐渐减小。

图4 不同孔径下，微纳米气泡直径分布曲线Fig.4 Different aperture， micro-nano bubble diameter distribution curve

图5 不同孔径下，微纳米气泡直径累计分布曲线Fig.5 Different aperture， micro-nano bubble diameter cumulative distribution curve

由图5还可以看出，微纳米气泡分布区间较窄，其直径峰值主要集中在0～10 μm之间，且所占气泡数量的比例将达到96%。

2.3 气泡发生器级数对粒径分布的影响

由图6和图7可以看出，随着气泡发生器级数由1级增至3级，微纳米气泡的粒径随着气泡发生器级数增加基本保持一致，表明气泡发生器级数对微纳米气泡粒径的影响较小。图6还可以看出，微纳米气泡分布区间较窄，其直径峰值主要集中在0～10 μm之间，且所占气泡数量的比例将达到97%。

图6 不同级数下，微纳米气泡直径分布曲线Fig.6 Different levels， micro-nano bubble diameter distribution curve

图7 不同级数下，微纳米气泡直径累计分布曲线Fig.7 Different levels， micro-nano bubble diameter cumulative distribution curve

3 结 论

基于喷射法原理，探究了文丘里管内径、气泡发生器孔径和级数等因素对微纳米气泡粒径的影响。经实验测试，得出如下结论：(1)随着文丘里管内径由2.7 mm增至2.9 mm，微纳米气泡的粒径随着文丘里管内径增加呈先减小后增大趋势，当文丘里管内径由2.7 mm增至2.9 mm时，微纳米气泡的平均粒径由10.88 μm先减小至3.069 μm，后增大至7.997 μm； (2)随着气泡发生器孔径从0.7 mm增加至0.9 mm，微纳米气泡的粒径随着气泡发生器孔径增加呈递减趋势，当气泡发生器孔径由0.7 mm增至0.9 mm时，微纳米气泡的平均粒径由4.106 μm减小至2.954 μm；(3)随着气泡发生器级数由1级增至3级，微纳米气泡的粒径随着气泡发生器级数增加基本保持一致。综合上述分析，本研究为微纳米气泡系统的应用提供理论依据，对微纳米气泡系统的进一步设计、优化具有重要作用。