微气泡发生器的研究进展

孙海龙

(中国石化扬子石油化工有限公司南京研究院，江苏南京 210048)

在传统的气-液(或气-液-固)多相加氢或氧化过程，气液的传质速率往往决定了反应过程的效果，而传质速率又主要取决于传质系数和相界面积的大小。传质过程中气泡尺寸是一个关键因素[1]，在处理含有气-液-固多相体系的轻质废水过程中，采用气浮法净水能够有效去除轻质的悬浮固体或液体颗粒，气泡的大小对除杂效率起到关键作用[2]：如将微气泡引入船体、鱼雷、潜艇等流动层边界内，形成微气泡与水的混合介质，可减小运动物体与流体之间的摩擦阻力[3]；还可向水中通入空气或氧气微气泡，提高水体中的氧含量，进而能够解决因水体内氮磷含量过多而引发水体中氧含量下降的问题[4]，因此，设计一台高效的微气泡发生器较为重要。目前，制备微气泡常采用的方法有溶气-释气法、微孔曝气法、引气-散气法、超声/声压法和电解法等[1]。

1 溶气-释气法

溶气-释气法即首先提高压力将气体溶解，之后释压使气体快速释放，产生微气泡的方法，具体流程见图1。气体通过泵加压溶解在溶气罐中，再通过释放器释放制造微气泡。

图1 溶气-释气法制造微气泡流程

许多学者对溶气-释气法产生微气泡过程进行了研究，结果表明该过程主要影响因素有三类。

1)操作条件，如溶气量、液量流量、操作压力等。Maeda等[5]研究表明微气泡的数量随着液相流量的增大而增加，这是由于随着液体流量的增大，气穴气泡增加，气泡数量增加。微气泡的数量与直径随着溶气量的增大而增加，这是由于溶气量增加，气体含量高，气泡数目多，气泡易碰撞并合并成大气泡。李景明等[6]研究表明：提高溶气压力可使微气泡尺寸减小，这是由于在溶入相同体积气体的条件下，自由能的变化与气体的半径成反比，即生成气泡的半径越小、生成的个数越多，自由能的变化就越大，则需要的初始能量也就越大。因此，为获得尺寸较小的气泡，就必须升高溶气罐中初始溶气的压力。

2)设备结构，如释放器结构等。Maeda等[5]研究了释放器的结构对微气泡过程产生的影响。当采用节流孔释放器时，发现随着质量流量的增加，释放器内流场从无空化状态依次发展为泡状空化和片状空化。空化泡中的蒸汽在下游高压区冷凝为液相，使空化泡回缩形成不可溶气体，从而制造直径较小的微气泡。因而，释放器的结构设计对微气泡产生过程有着较大的影响。

3)物质性质，如气-液两相界面张力等。Feris等[7]对水-空气系统溶气气浮试验进行了研究，结果表明在水力负荷和产生微气泡效果一致的条件下，加入表面活性剂油酸钠，可使溶气罐的操作压力降低33%。Zhang等[8]研究发现：在溶气罐中加入TX-100表面活性剂，可使微气泡的Sauter平均直径减少23.8%，这是由于在加入表面活性剂的条件下，可以降低气液表面张力，达到相同微气泡的效果，可输入更低的能量，或在相同的能量输入条件下，产生微气泡的效果更优。但是，添加表面活性剂时应充分考虑介质成分以及杂质存在等因素的影响。

综上，利用溶气-释气法制造微气泡，需综合考虑操作条件，设备结构及体系性质的影响，从而达到最佳的气泡效果。同时，通过以上学者的研究表明，溶气-释气法虽能产生大密度、尺寸较小的气泡，但此方法能耗较高，需通过高压将气体溶入液体中，且流程复杂，对其使用条件产生了一定限制。

2 微孔曝气法

微孔曝气相对于普通的鼓泡，材料的孔径更小，孔径的尺寸为纳米级或微米级，能产生更细小的气泡，流程见图2。

图2 微孔曝气法产生微气泡流程

微孔曝气过程的主要影响因素有3类。

1)操作条件，如气液相流量、气体压差等。徐振华等[9]和吴胜军等[10]采用微孔管配合液流剪切形成微气泡，微气泡平均粒径随压差的增大或气-液流速比的减小而减小，这是由于气体压差越大，可以穿透膜孔中更小的孔径，同时气泡的大小与压差的关系可以根据拉普拉斯方程表示，压差越大，气泡越小。液体流量的增大，黏滞力增大，抑制了气泡的膨胀，同时，液体流量增大，停留时间短，气泡汇聚形成大气泡的机率小，从而产生的微气泡较小。气体流量增大，水中微气泡的数目增大，气泡汇聚的机率增大，容易形成较大的气泡。Kazakis等[11]研究了气体流量对气泡大小及气泡分布的影响，结果表明在低液体表面张力条件下，气泡随气体流量的增大而减小，反之，在较高液体表面张力下，气泡随气体流量的增大而增大。这是因为气体流速对气泡会产生两方面的作用，一方面高气速导致气体更多地碰撞产生大气泡，另一方面高气体伴随着高压差，可以打开更多的小孔，从而产生更多小气泡。在低表面张力液体中，气泡不易碰撞，若气速较高，产生的气泡较小，反之，则产生的气泡大。Xie等[12]研究了液体流速对膜产生气泡大小的影响，其中，通过在膜中段加入不锈钢金属棒的方式增大液相流速。结果表明：增大液相流速可明显减小气泡大小，这是由于增大液体流速可以明显增大液相剪切力，抑制气泡的膨胀，进而减小气泡大小，该结论与徐振华等[9]和吴胜军等[10]的研究结果一致。

2)流体性质，如表面张力、黏度等。吴胜军等[10]的研究结果表明：液体剪切流表面张力减小、黏度增加，气泡分布变窄且粒径较小。Xie等[12]研究了液体黏度、表面张力对膜产生气泡大小的影响。结果表明，降低表面张力可降低气泡大小。液体黏度对气泡大小有双重影响，黏度增大可以阻止气泡合并，但是黏度增大会降低液体的剪切作用，导致气泡变大。

3)微孔的性质，如微孔的润湿性、尺寸大小等。吴胜军等[10]、Kukizaki等[13]研究表明微孔表面润湿角减小，气泡分布变窄且粒径较小。这是因为忽略剪切流的剪切作用，气泡的生长是膨胀力和黏滞力平衡的结果，当润湿角为0～45°时，黏滞力大于膨胀力，气泡生长缓慢，当润湿角大于45°时，则结果相反。Yasuda等[14]的研究同样证实了接触角对形成气泡的影响，当润湿角小于45°时，2个孔间的距离比形成的气泡尺寸大，在一个平整的表面上，更易得到小气泡。Kazakis等[11]研究了微孔孔径对气泡大小及气泡分布的影响，结果表明：由于毛细压力的作用，小孔径可以产生更小的气泡。

综上，利用微孔曝气法制造微气泡，需综合考虑操作条件、体系性质和设备结构的影响，进而达到最佳的气泡效果。同时，通过以上学者的研究表明，微孔曝气法虽能在较低的能耗下，产生大密度、小尺寸的气泡，但由于微孔孔径较小，在某些应用体系下，容易造成堵塞的现象。

3 引气-散气法

引气-散气法主要利用流场的剪切、碰撞等作用使较大的气穴破碎，形成微气泡。这类方法产生的微气泡粒径相对较大且单分散性较差，但产量和能效较高，设备成本低，在规模化应用中较有优势。常用引气-散气法制备微气泡的具体方法有文丘里管法、自吸射流法、叶轮旋流法、气-液旋流法等。

Sadatomi等[15]采用文丘里管法制造微气泡，在一段直流水管中加入一个实心小球，通过实心小球后端的负压将气体吸入到液体中，再通过液体的紊流和剪切将气体分散为小气泡，流程见图3。同时还研究了该类微气泡发生器最优的结构设计。

图3 文丘里管法制造微气泡流程

自吸射流式结构与文丘里管式类似，惠恒雷[16]、李浙昆等[17]、刘炯天等[18]对自吸式射流法制造微气泡进行了研究。自吸射流式法与文丘里管法不同的是，液体喷射后会由连续相变为液滴，之后再成为连续相，利用湍射流的紊动扩散作用来传递能量与质量。

曹群科[19]、陈卫玮[20]对叶轮旋流法制造微气泡过程进行了研究。叶轮旋流法主要通过底部中空叶轮的快速旋转在水中形成一个负压区，水面上的空气通过中空管道抽送至水下，并在底部叶轮快速旋转产生的剪切力作用下把空气粉碎成微气泡。叶轮旋流法靠的是机械破碎吸入水中的空气形成气泡，气泡直径较大，尺寸分布较广。

Ohnari等[21]、Terasaka等[22]、Levitsky等[23]、张永忍[24]对气-液旋流法制造微气泡进行了研究。与其他方法类似，也是依靠制造负压，吸进气体，进行破碎产生微气泡。其中，负压主要依靠不断提速，制造压差而产生。

以上研究表明，引气-散气法是利用制造负压，吸进气体，之后再进行气液接触，实现能量传递，产生微气泡。总体而言，该方法制造气泡数量多，能耗低，但气泡尺寸相对较大，气泡尺寸分布宽。

4 超声/声压法

超声/声压法可以采用2种方式产生微气泡，超声振荡作用于较大气-液界面和超声，直接诱使液体发生空化和溃灭，流程见图4。Makuta[25]等提出将超声振荡施加于较大孔径的气相入流口，气体由入流口进入较短距离后，气-液界面在声压作用下发生破碎，使入流口外的气穴雾化而产生微气泡。Feinstein等[26]研究了超声直接诱使液体发生空化和溃灭，结果表明产生气泡的粒径较为分散。通过超声产生微气泡，需要超声装置，产生的气泡数量有限，且能耗较高，对其使用产生了一定的限制。

图4 超声/声压法制造微气泡流程

5 电解法

电解法主要通过电极电解水产生微气泡，气泡主要成分为氢气和氧气，电解法制造微气泡流程见图5。

图5 电解法制造微气泡流程

许多学者对电解法产生微气泡过程进行了研究，主要集中在电极表面结构与性质、电流电压等因素对电解法产生微气泡过程的影响等方面。刘萌等[3]、Yu等[27]研究了电极表面结构与性质对电解法产生微气泡过程的影响，其中，刘萌等[3]研究表明与亲水的多孔电极相比，疏水的多孔电极表面能够黏附气泡，更易倾向于形成稳定的气膜。与没有多孔结构的亲水电极相比，具有多孔结构的亲水电极表面产生的气泡数量多，速率快。与较小孔径的多孔亲水电极相比，较大孔径的多孔亲水电极表面产生气泡速率快且黏附气泡数量少。Yu等[27]发现使用润湿性能相反的电极能够促进气泡快速脱落和气泡定向移动，进而提升电解效率。此外，在电极表面构造微结构可增加气泡的有效面积和改变润湿性，在提升电解产泡效率方面显示出较大的潜力。

刘季霖[28]、Janssen等[29]考察了电流电压等因素对电解法产生微气泡过程的影响，其中，刘季霖研究表明施加电压的越大，气泡粒径越小。Janssen等研究表明增大电流可直接提高气泡产率，同时使气泡粒径减小，但电流的增大也会使热效应加剧，降低能效的同时引发热紊流，影响微气泡粒径的单分散性。

由上述研究进展可知：虽然增大电流电压可以减低气泡的粒径，增大气泡产率，但能耗较高。在控制能耗的前提下，为提高电解法产生微气泡的产率及降低粒径，可以对电极表面结构与性质进行优化。与其他方法相比，电解法的能耗较高，气泡产率偏低，且气泡的组分较为单一[1]，导致电解法制造微气泡的应用受限。

6 不同方法的耦合应用效果

为提高制造微气泡的效果，可以将不同方法进行耦合。

1)溶气-释气法与引汽-散气法相结合，如气浮泵技术，利用泵叶轮的高速旋转，制造负压抽吸气体与液体混合，通过叶轮的剪切搅拌，使气体分散为微小气泡。同时在泵腔内形成高压使部分气体溶解，在出口处设置快速降压释气装置，制造微气泡。袁鹏等[30]将气浮泵装置用于竖流气浮反应器，在工作压力0.04 MPa、吸气量8%的工况下，可以产生50 μm的微气泡。

2)微孔曝气法与引汽-散气法相结合。Sadatomi等[31]将多孔材料应用于引气位置，可增强气体吸入时的分散效果，但研究结果表明：与300 μm孔径材料相比，25 μm孔径材料气泡大小并无明显变化，可能是由于引气造成的负压能力不够，气体曝气能力不强的原因。为提高气体曝气能力，可进一步加大入口气体压力，提高整个过程制造微气泡的效率。

3)微孔曝气法与超声/声压法相结合。徐金球等[32]对比了单独使用曝气、单独使用超声和曝气超声同时使用时对废水中有机物氧化降解作用的效果，发现曝气超声同时使用时的效果最优，此时气泡的数量较多，气泡的粒径较小，氧气的传质效果更佳。Shirota等[33]将微孔曝气法与超声/声压法相结合，通过扬声器，在气相入流管路中形成压缩与膨胀脉冲。压缩脉冲促使孔口气穴生长，之后的膨胀脉冲则促使气穴快速收缩，导致气穴颈部断裂形成微气泡。

4)电解法与超声/声压法相结合。Lee等[34]研究结果表明通过超声对电极附着气泡施加拖拽力，可有效地加速微气泡脱落。

7 结语

介绍了微气泡发生器的研究进展，对比分析了使用溶气-释气法、微孔曝气法、引气-散气法、超声/声压法和电解法产生微气泡的特点，得到以下结论。

1)溶气-释气法。操作条件、设备结构及物质性质等均会对溶气-释气法产生微气泡的过程产生影响。溶气-释气法虽能产生密度大、尺寸小的气泡，但该方法能耗较高、流程复杂，需通过高压将气体溶入液体中，对其使用产生了一定的限制。

2)微孔曝气法。操作条件、流体性质及微孔的性质会对微孔曝气法产生微气泡过程产生影响。微孔曝气法能耗低，产生的气泡尺寸分布窄，气泡数量多，但孔道易堵塞。

3)引气-散气法。常用引气-散气法制备微气泡的具体方法有文丘里管法、自吸射流法、叶轮旋流法、气-液旋流法等，引气-散气法产生的气泡数量多，能耗低，但气泡相对较大，气泡尺寸分布较宽。

4)超声/声压法。超声/声压法产生微气泡主要有超声振荡作用于较大气-液界面和超声直接诱使液体发生空化和溃灭2种方法。超声/声压法产生微气泡，需要超声装置，产生的气泡数量有限，且能耗较高，对其使用产生了一定的限制。

5)电解法。电极表面结构与性质、电流电压等因素会对电解法产生微气泡过程产生影响。电解法的能耗较高、气泡产率偏低，且气泡组分较单一。

6)不同方法的耦合应用。溶气-释气法与引气-散气法、微孔曝气法与引气-散气法、微孔曝气法与超声/声压法或电解法与超声/声压法相结合，可以提高微气泡的制造效果。