微纳米气泡光学观测系统开发

李恒震, 胡黎明

(1. 中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088； 2. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

微纳米气泡技术是一项新兴技术，在工业废水和地表水体污染治理、生物医药工程、纳米材料等诸多学科领域显示出巨大的使用潜力，引起广泛关注[1-5]。微米气泡直径在1～60μm之间，纳米气泡的直径则在200nm以下，直径介于两者之间的气泡通常被称为微纳米气泡。在水体中，毫米—厘米级宏观气泡将在浮力作用下迅速上升，并在水表面处破裂；而微纳米气泡则由于直径较小，在水体中停留时间较长，纳米气泡在水中甚至可存留数月。由于水气界面张力作用，气泡内压较大，其高溶解能力可为水体提供高含量的溶解氧。同时，微纳米气泡气液界面带负电荷，可以与特定的污染物相互作用，微纳米气泡破裂时产生的自由基和振动波也可促进污染物的去除。

1 微纳米气泡观测的研究现状

对微纳米气泡直接进行光学观测是研究微纳米气泡物理性质的重要手段。但微纳米气泡由于粒径小、反光效果差，对观测技术要求高，需要复杂的仪器设备[6-12]。目前针对微纳米气泡的观测主要集中在水中的气泡粒径和运动速度。张蓉生等[13]开发了微小气泡的测量装置，使用卤素光源照亮水体，通过CCD相机对气泡成像，但是体积光源造成气泡重影现象。Tian 等[14]研究了微米气泡的可视化设备，以观测超声空化产生的水中微米气泡的振荡变形过程，可观测气泡直径为5～100μm，并使用LED照亮整个水体，同样存在气泡重影现象。Burns[15]使用光学观测系统观察水体中20μm以上的气泡，但系统没有照明设备，所获得结果精确性值得怀疑。Kitagawa等[16]使用PIV系统观测水体中的微小气泡，研究其粒径和运动速度，气泡直径在1mm左右，由于气泡的光反射效果差，拍摄效果并不理想。Aslan等[17]研制了新型的椭圆偏振光散射(EPLS)观测系统，但仪器造价高，且观测的气泡在200μm以上。在多孔介质中，观测微纳米气泡的粒径、运动速度和吸附特性的设备还未见报道。

因此，开发微纳米气泡的光学观测系统，提高成像精确度，系统研究微纳米气泡在水中及多孔介质中的粒径、运动速度和吸附特性非常必要。

本研究设计了一套微纳米气泡的光学观测系统，可以对微纳米气泡在水体中及多孔介质中的粒径分布、运动速度和吸附特性等进行观测，并分析其影响因素。该系统能观测的微纳米气泡粒径范围为900nm以上。

2 系统组成

该微纳米气泡光学观测系统主要由模型箱、激光器、CCD相机、显微镜头、三维可调节支架及图像处理软件组成，见图1。

图1 微纳米气泡光学观测系统

2.1 模型箱

模型箱专门为观测水体中及多孔介质中的微纳米气泡而设计。其外观尺寸见图2。

图2 模型箱尺寸示意图

模型箱由观测面、背景面、左/右侧面及底面构成。其中观测面板使用透光性好的超白玻璃制作，使得模型箱内部的微纳米气泡可以透过观测面在相机内清晰成像。其他面板均使用有机玻璃。背景面涂抹成黑色，以增强微纳米气泡与背景的对比度。左/右侧面及底面均涂抹成白色，以增强水体中微纳米气泡的漫反射效果，最大限度提高微纳米气泡的亮度。在模型箱底部中央位置设置水流注入口，直径为4mm。水流从顶部溢流，在模型箱内形成流场，观察微纳米气泡在水中的运动情况。

2.2 激光器

激光器置于模型箱正上方，通过高功率激光器发射片状激光，照亮模型箱内的微纳米气泡。激光器最大功率为2W(功率波动在5%以内)，波长532nm，发散角小于1mrad，束腰直径小于3.0mm。激光功率越大，气泡的亮度越高，但是过高功率的激光照射在微纳米气泡上，会造成温度升高，影响微纳米气泡的性质。同时过高的激光功率也存在安全隐患。

在激光出口处使用矫正圆环将激光调整为片状，照亮水体中的某一平面，而不是整个水体，这样不仅集中了激光能量，而且可以通过控制片状激光的线宽，使线宽小于相机景深，避免相机景深外的气泡被照亮以造成在CCD相机上成虚像，避免气泡重影现象。此外矫正圆环还可以360°改变激光线的方向，照亮不同平面。

2.3 相机及镜头

相机和镜头用于对微纳米气泡进行成像。由于微纳米气泡体积小，对光的反射效果差，运动速度快，因此需要高放大倍数、高感光度以及高快门速度的相机。本系统使用的相机为高感光度CCD相机(WAT-120N+型)，最低照度0.00002lx仍可成像，CCD尺寸为1.27mm(1/2″)，分辨率为768像素×576像素，信噪比为52dB，具有高速电子快门(最快可达1/2000s)。镜头选用适合相机的工业缩放镜头(ZL0911型)，放大倍数为0.7～4.5，工作距离为88～93mm。该工业镜头可通过增加多个2倍的放大环进一步提高放大倍数，配合相机(受限于感光度及快门速度要求)最小可以观测直径为900nm的气泡。

2.4 三维可调节支架

三维可调节支架用于承载相机及镜头，实现对观测位置及焦距的连续、微细调整。支架由不锈钢制作，通过螺丝将相机及镜头固定于顶部面板(承载板)。通过移动滑杆控制空间3个互相垂直面板的移动，并可以锁定面板的位置。

2.5 图像处理软件

图片处理软件用于对拍摄图像进行后处理，分析微纳米气泡的形态、粒径及运动速度等。使用PIV/PTV分析软件MicroVEC，通过对拍摄图片的灰度值进行分析(高斯拟合)，识别气泡，然后根据单位像素的实际尺寸计算气泡直径。通过连续拍摄的系列图片，确定目标气泡的运动轨迹，然后根据像素尺寸及快门速度，计算微纳米气泡的运动速度(大小及方向)，并绘制微纳米气泡的运动迹线图。

3 操作步骤

以分析水体中微纳米气泡运动速度为例，简述该系统的操作步骤如下：

(1) 向模型箱中注入去离子无气水(大于0.22μm的杂质颗粒每毫升不多于1个);

(2) 将相机和镜头放置于三维可调节支架上，并移动到初始位置,相机控制线与电脑相连接，在电脑上打开相机软件，调整好相机参数(亮度、对比度、快门等)及镜头放大倍率，做好拍摄准备;

(3) 打开激光器，缓慢提高激光器功率值，并调整激光器的位置以及矫正圆环的位置，使得激光器发射的片光源照亮水体中的某一平面及注水口，并且该平面与相机/镜头所在的轴线垂直;

(4) 生成微纳米气泡水，通过底部注水口以恒定流速注入到模型箱中(使用药剂泵);

(5) 使用相机对微纳米气泡进行连续拍摄，存储为照片;

(6) 调节支架，改变相机的位置，拍摄不同位置处微纳米气泡的运动情况;

(7) 调整镜头的放大倍率，拍摄不同直径范围气泡的运动情况;

(8) 通过图像处理软件对所拍摄的照片进行后处理，分析微纳米气泡的形态、粒径及运动速度等

4 实验结果与分析

4.1 水中微纳米气泡粒径分析

使用该系统分析水体中微纳米气泡的形态，粒径和存在时间等基本特性。直接将生成的微纳米气泡注入模型箱中，待水体基本静止后，进行拍摄，拍摄粒径实况见图3。

图3 拍摄粒径

拍摄结果如图4(a)所示，图像中的白色点即为微纳米气泡。可以看出，在形态上，微纳米气泡仍为球形。使用后处理软件对图片灰度进行分析，获得的处理图见图4(b)所示。

图4 微纳米气泡拍摄效果图

从图4中，根据每个气泡所占据的像素数量及像素的实际大小，计算出每个气泡的粒径。图4中的气泡粒径分布如图5所示。

图5 微纳米气泡粒径分布

由图5可知，微纳米气泡存在2个粒径峰值，分别在10μm左右及50μm左右。

4.2 水中微纳米气泡运动分析

注入口的注入速度为5mm/s，模型箱内的水流处于层流状态。使用相机拍摄不同位置处微纳米气泡的运动情况，并对同一位置处的多张连续照片进行分析，可获得气泡的运动轨迹及运动速度，速度的空间分布如图6所示。

图6 微纳米气泡运动速度空间分布

分析微纳米气泡运动速度与直径的关系，结果如图7所示。由此可知，微纳米气泡的运动速度与直径无关，主要由局部的水流速决定。

图7 微纳米气泡运动速度随气泡直径的分布

4.3 多孔介质中微纳米气泡运动分析

该套实验系统不仅可以研究水体中微纳米气泡的粒径及运动情况，还可以研究多孔介质中微纳米气泡的基本性质，尤其是可以可视化研究微纳米气泡的吸附特性。

使用透明的椭球形树脂颗粒来模拟多孔介质，由于微纳米气泡的折射率与多孔介质的折射率不同，并且微纳米气泡被激光照射，满足成像的亮度需求，可以拍摄到微纳米气泡在多孔介质中的吸附效果，如图8所示。

图8 微纳米气泡吸附效果图

从图8中可以看出，微纳米气泡在树脂颗粒的表面存在明显的吸附，可吸附的气泡数量与颗粒的表面积相关。研究发现，微纳米气泡吸附之后存在时间进一步增长。

5 结束语

本文开发的微纳米气泡观测系统可以对微纳米气泡(大于900nm)在水体中及多孔介质中的粒径分布、运动速度和吸附特性等进行观测，并分析其影响因素。微纳米气泡光学观测系统功能强、观测精度高，在实际教学和科研中发挥了重要作用，为建立微纳米气泡的流动模型、渗流模型及吸附模型等科研工作提供了有效地实验研究手段。

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