微納米氣泡的定義

通常我們把氣體在液體中的存在現(xiàn)象稱(chēng)作氣泡。氣泡的形成現(xiàn)象，在自然界中的許多過(guò)程中都能遇到，當(dāng)氣體在液體中受到剪切力的作用時(shí)就會(huì)形成大小、形狀各不相同的氣泡。目前，對(duì)氣泡的分類(lèi)與定義并不是十分嚴(yán)格，按照從大到小的順序可分為厘米氣泡（CMB）、毫米氣泡（MMB）、微米氣泡（MB）、微納米氣泡（MNB）、納米氣泡（NB）。所謂的微納米氣泡，是指氣泡發(fā)生時(shí)直徑在10微米左右到數(shù)百納米之間的氣泡，這種氣泡是介于微米氣泡和納米氣泡之間，具有常規(guī)氣泡所不具備的物理與化學(xué)特性。

微納米氣泡發(fā)生器特性

1.比表面積大

氣泡的體積和表面積的關(guān)系可以通過(guò)公式表示。氣泡的體積公式為V=4π/3r3，

氣泡的表面積公式為A=4πr2，兩公式合并可得A=3V/r，即V總=n·A=3V總/r。

也就是說(shuō)，在總體積不變（V不變）的情況下，氣泡總的表面積與單個(gè)氣泡的直徑成反比。

根據(jù)公式，10微米的氣泡與1毫米的氣泡相比較，在一定體積下前者的比表面積理論上

是后者的100倍?？諝夂退慕佑|面積就增加了100倍，各種反應(yīng)速度也增加了100倍。

2.上升速度慢

根據(jù)斯托克斯定律，氣泡在水中的上升速度與氣泡直徑的平方成正比。氣泡直徑越小則

氣泡的上升速度越慢。從氣泡上升速度與氣泡直徑的關(guān)系圖可知，氣泡直徑1mm的氣泡在

水中上升的速度為6m/min，而直徑10μm的氣泡在水中的上升速度為3mm/min，后者是前者的1/2000。如果考慮到比表面積的增加，微納米氣泡的溶解能力比一般空氣增加20萬(wàn)倍。

3.自身增壓溶解

水中的氣泡四周存有氣液界面，而氣液界面的存在使得氣泡會(huì)受到水的表面張力的作用。

對(duì)于具有球形界面的氣泡，表面張力能壓縮氣泡內(nèi)的氣體，從而使更多的氣泡內(nèi)的氣體溶解到水中。

根據(jù)楊-拉普拉斯方程， ?P=2σ/r,?P代表壓力上升的數(shù)值，σ代表表面張力，r代表氣泡半徑。

直徑在0.1mm以上的氣泡所受壓力很小可以忽略，而直徑10μm的微小氣泡 會(huì)受到0.3個(gè)大氣壓的壓力，而直徑1μm的氣泡會(huì)受高達(dá)3個(gè)大氣壓的壓力。微納米氣泡在水中的溶解是一個(gè)氣泡逐漸縮小的過(guò)程，壓力的上升會(huì)增加氣體的溶解速度，伴隨著比表面積的增加，氣泡縮小的速度會(huì)變的越來(lái)越快，從而*終溶解到水中，理論上氣泡即將消失時(shí)的所受壓力為無(wú)限大。

4.表面帶電

純水溶液是由水分子以及少量電離生成的H+和OH-組成，氣泡在水中形成的氣液界面具有容易

接受H+和OH-的特點(diǎn)，而且通常陽(yáng)離子比陰離子更容易離開(kāi)氣液界面，而使界面常帶有負(fù)電荷。

已經(jīng)帶上電荷的表面傾向于吸附介質(zhì)中的反離子，特別是高價(jià)的反離子，從而形成穩(wěn)定的雙電層。

微氣泡的表面電荷產(chǎn)生的電勢(shì)差常利用ζ電位來(lái)表征，ζ電位是決定氣泡界面吸附性能的重要因素。當(dāng)微納米氣泡在水中收縮時(shí)，電荷離子在非常狹小的氣泡界面上得到了快速濃縮富集，表現(xiàn)為ζ電位的顯著增加，到氣泡破裂前在界面處可形成非常高的ζ電位值。

5.產(chǎn)生大量自由基

微氣泡破裂瞬間，由于氣液界面消失的劇烈變化，界面上集聚的高濃度離子將積蓄的化學(xué)能一下子

釋放出來(lái)，此時(shí)可激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自由基。羥基自由基具有超高的氧化還原電位，其產(chǎn)生的

氧化作用可降解水中正常條件下難以氧化分解的污染物如等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的凈化作用。

6.傳質(zhì)效率高

氣液傳質(zhì)是許多化學(xué)和生化工藝的限速步驟。研究表明，氣液傳質(zhì)速率和效率與氣泡直徑成反比，

微氣泡直徑極小，在傳質(zhì)過(guò)程中比傳統(tǒng)氣泡具有明顯優(yōu)勢(shì)。當(dāng)氣泡直徑較小時(shí)，微氣泡界面處的

表面張力對(duì)氣泡特性的影響表現(xiàn)得較為顯著。這時(shí)表面張力對(duì)內(nèi)部氣體產(chǎn)生了壓縮作用，使得微氣

泡在上升過(guò)程中不斷收縮并表現(xiàn)出自身增壓效應(yīng)。從理論上看，隨著氣泡直徑的無(wú)限縮小，氣泡界

面的比表面積也隨之無(wú)限增大，*終由于自身增壓效應(yīng)可導(dǎo)致內(nèi)部氣壓增大到無(wú)限大。因此，

微氣泡在其體積收縮過(guò)程中，由于比表面積及內(nèi)部氣壓地不斷增大，使得更多的氣體穿過(guò)氣泡界面

溶解到水中，且隨著氣泡直徑的減小表面張力的作用效果也越來(lái)越明顯，*終內(nèi)部壓力達(dá)到一定

極限值而導(dǎo)致氣泡界面破裂消失。因此，微氣泡在收縮過(guò)程中的這種自身增壓特性，可使氣液

界面處傳質(zhì)效率得到持續(xù)增強(qiáng)，并且這種特性使得微氣泡即使在水體中氣體含量達(dá)到過(guò)飽和條件時(shí)

仍可繼續(xù)進(jìn)行氣體的傳質(zhì)過(guò)程并保持高-效的傳質(zhì)效率。

7.氣體溶解率高

微納米氣泡具有上升速度慢、自身增壓溶解的特點(diǎn)，使得微納米氣泡在緩慢的上升過(guò)程中逐步縮小

成納米級(jí)，然后消減湮滅溶入水中，從而能夠大大提高氣體（空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳等）在

水中的溶解度。對(duì)于普通氣泡，氣體的溶解度往往受環(huán)境壓力的影響和限制存在飽和溶解度。在

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，氣體的溶解度很難達(dá)到飽和溶解度以上。而微納米氣泡由于其內(nèi)部的壓力高于環(huán)境壓力

使得以大氣壓為假定條件計(jì)算的氣體過(guò)飽和溶解條件得以打破。

微納米水處理的應(yīng)用

1.水產(chǎn)養(yǎng)殖

在工廠(chǎng)化漁業(yè)的養(yǎng)殖上，特別是未來(lái)漁業(yè)的陸基養(yǎng)殖技術(shù)，大多是往高密度的集約化方向發(fā)展，

在這種環(huán)境下，水體中高度溶氧的控制對(duì)魚(yú)的健康及生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的一環(huán)，采用超細(xì)

微泡技術(shù)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的增氧方式，將是一項(xiàng)革命性的創(chuàng)新，可以大大提高魚(yú)的活性與產(chǎn)量，是

養(yǎng)殖業(yè)走向工廠(chǎng)化的有力保障，并且微納米氣泡具有刺激生物生長(zhǎng)及增強(qiáng)免疫力的效果。

2.無(wú)土栽培

生態(tài)農(nóng)業(yè)：在水培植物生產(chǎn)過(guò)程中，水中溶氧量是影響生長(zhǎng)發(fā)育速度的重要因子，溶氧充足生長(zhǎng)

就快，溶氧度低不僅生長(zhǎng)慢，而且低至植物所需溶氧的臨界值以下，還會(huì)出現(xiàn)缺氧爛根，所以在生

產(chǎn)上以提高水中溶氧作為水培的主體技術(shù)，不管是循環(huán)方式栽培模式如何多樣化，但*終都是為圍

繞溶氧的提高作為其模式的可行性保障，凡是能讓水中溶氧提高的技術(shù)措施，都是增進(jìn)植物生長(zhǎng)與

促進(jìn)發(fā)育的增產(chǎn)措施。在未來(lái)的生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)中，超細(xì)微氣泡技術(shù)必將是的配套新技術(shù)。

在設(shè)施園藝和旱地滴灌中，已廣泛采用氣泵充氧等措施來(lái)增加水中溶氧量，提高作物根際氧含量，

促進(jìn)根系生長(zhǎng)，進(jìn)而增加產(chǎn)量，并提高水分和肥料利用效率。但是傳統(tǒng)的充氧方式效率比較低，難

以使灌溉水中溶氧值迅速增加，利用微納米氣泡快速發(fā)生裝置對(duì)灌溉水進(jìn)行曝氣處理，可以使溶氧

值迅速達(dá)到超飽和狀態(tài)，形成微納米氣泡水用于灌溉。微納米氣泡水不僅能夠提供充足的氧氣，并且

其的帶電性、氧化性、殺菌性等使其具有特殊的生物生理活性，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

3.果蔬清洗

機(jī)能性的微納米臭氧氣泡水可以實(shí)現(xiàn)無(wú)害化的非熱殺菌，既能保持其株型與原質(zhì)，又可以達(dá)到無(wú)菌化

的目的。臭氧具有強(qiáng)氧化性，可與蔬菜、水果中的殘留有機(jī)磷農(nóng)藥發(fā)生反應(yīng)，強(qiáng)氧化劑或自由基的強(qiáng)氧

化作用可將農(nóng)藥分子的雙鍵斷開(kāi)，苯環(huán)開(kāi)環(huán)，破壞其分子結(jié)構(gòu)，生成相應(yīng)的酸、醇、胺或其氧化物等小

分子化合物，這些小分子化合物大多無(wú)毒，易溶于水，可馬上被洗滌出去。同時(shí)臭氧可殺滅表面的各種

細(xì)菌和病毒，達(dá)到解毒目的。與一般的臭氧水相比，對(duì)去除鮮果、蔬菜上附著的殘留農(nóng)藥有更顯著的效果。

4.洗浴保健

微納米氣泡浴：水中如果含有大量的微納米氣泡，就會(huì)降低水的透明度，顏色像牛奶一樣發(fā)白，故微

納米氣泡浴又稱(chēng)牛奶浴。水中的氣泡從零開(kāi)始增大至微米級(jí)氣泡而破滅，產(chǎn)生的低音頻率具有去除污垢的

效果，同時(shí)低音頻率更具有刺激腦內(nèi)啡的產(chǎn)生，令人有鎮(zhèn)靜與愉悅的感覺(jué)。此外，如果水中含有以氧氣產(chǎn)

生的超微氧氣泡，當(dāng)身體浸泡在這種含高氧量的水中，可以滋養(yǎng)皮膚、延緩老化，達(dá)到高氧療法之功效。

并且沒(méi)有任何添加劑，符合現(xiàn)代人對(duì)環(huán)保及健康生活的要求。

5.生態(tài)修復(fù)

研究發(fā)現(xiàn)富含微納米氧氣氣泡的水對(duì)動(dòng)植物都具有促進(jìn)生物活性的作用。這是由于微納米氣泡在水中存在時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)部承載氣體釋放到水中的過(guò)程較慢，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)承載氣體的充分利用，提供充足的活性氧以促進(jìn)水中生物的新陳代謝活性。向污染的缺氧水域中鼓入微納米氣泡時(shí)，隨著氣泡內(nèi)溶解氧的消耗不斷向水中補(bǔ)充活性氧，可增強(qiáng)水中好氧微生物、浮游生物以及水生動(dòng)物的生物活性，加速其對(duì)水體及底泥中污染物的生物降解過(guò)程，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目的。

6.污水處理

微納米氣泡是直徑小于50微米的極細(xì)微氣泡，微納米氣泡在水中上升速度慢、停留時(shí)間長(zhǎng)、溶解效率高，并具備自增氧、帶負(fù)電荷和富含強(qiáng)氧化性的自由基等特性。這些特點(diǎn)使得微納米氣泡在水處理上具有廣泛的應(yīng)用前景。