摘 要：微气泡直径小于50μm，具有区别于传统气泡的行为特性，在环境污染治理领域中表现出一些潜在的应用优势，日益受到关注。介绍了不同微气泡产生方法及其原理，比较了不同方法所产生微气泡的差异及其主要应用领域，分析了表面活性舟j在微气泡产生过程中的重要作用。同时，讨论了微气泡在强化传质、界面性质等方面区别于传统气泡的行为特性，以及造成这些差畀的原因。此外，综述了目前微气泡技术在强化臭氧传质及环境污染修复中的应用现状。最后，提出了目前微气泡技术存在的问题以及今后的主要研究和应用方向。

关键词：微气泡；产生方法；污染控制；应用

微气泡(microbubble)是直径小于50μm的气泡，与传统的大气泡(coarse bubble，直径大于50mm)和小气泡(fine bubble，直径小于5 mm)相比，微气泡具有一些特殊的行为特性，在环境污染治理领域中逐渐受到关注。比如在气液传质过程中，由于微气泡直径很小，在液相中上升速度很慢，停留时间较长；同时微气泡的比表面积大，增加了气液传质界面，有助于提高气液传质速率和效率。因此，微气泡在废水生物处理曝气充氧和物化处理臭氧氧化等气液传质过程中日益受到重视，成为提高传质效率、降低运行成本的重要改进措施。同时，微气泡的表面性质和传统气泡相比也具有显著差异，如表面电荷、吸附性等。微气泡悬液在多孔介质中的流动性和物质运输能力也在环境污染修复领域受到关注。关于微气泡的研究和应用正在逐渐成为环境污染控制领域中一个新的关注点。

1 微气泡的产生方法

微气泡的产生方法多种多样，产生原理差异较大，包括水力作用、机械作用、电化学作用、微流体作用、微多孔介质等。不同的方法产生的微气泡特性存在一定的差异，同时也会影响到微气泡的应用领域。

1．1 水力作用

水力作用可以通过局部水力剪切力和水力加速旋转2种方式产生微气泡。其方式都是通过形成负压使得空气和水混合，气一水混合流在水力作用下形成微气泡，并且通过射流器释放，这种微气泡的产生方式适合应用于强化气一液传质过程，如曝气充氧和臭氧氧化等。

气——水混合流中的局部水力剪切力可以通过在管道中设置狭缝来产生。HASEGAWA等在管道一侧设置与主流方向呈一定角度的狭缝，部分混合流通过狭缝时改变流向，在狭缝夹角处产生分离剪切层，剪切层中的Kelvin—Helmholtz非稳态产生气——液界面剪切力；同时，水流在管道狭缝处与水箱之间存在很大的速度梯度，也会增加局部剪切力。狭缝处的局部剪切力切割气一液混合流中的大气泡，形成微气泡，因此局部剪切力越大，形成的微气泡尺寸越小。研究表明，狭缝角度对局部剪切力和微气泡尺寸具有重要影响；狭缝角度为6O℃。时狭缝局部剪切力最大，产生的微气泡最小，其平均直径为40μm。

气——水混合流还可以通过加速旋转作用形成微气泡。现有的水力旋转加速器一般具有锥形结构，内部空间逐渐减小，使得气一水涡流流速逐渐增大，最终由于重力差异实现气一液分离，气体形成连续且稳定的极细线状气流，并在出口处产生微气泡。CHU等对加速旋转水力作用产生微气泡的研究表明，当气体流量为0.2 L/min时，微气泡平均直径为46 μm随着气体流量增大，气泡平均直径略有增长。

水力作用产生微气泡的方式可以通过射流器形成较好的水力条件，满足水处理过程中水力条件要求。同时，这种微气泡发生系统具有操作简单、运行稳定等优点。但是，气体流量对微气泡产生影响很大，使得曝气量受到一定限制，而且气、液混合过程也可能产生较高的能耗。

1．2 机械作用

机械作用主要是通过机械搅拌、超声波等方式产生微气泡，其产生的微气泡悬液可用作土壤、地下水等污染修复中的物质输送载体。典型的机械搅拌微气泡产生系统由1个搅拌器和1个微气泡发生器组成。CHOI等研究表明，利用机械搅拌法产生微气泡悬液时，表面活性剂SDS，DEDAB和皂角苷在一定浓度范围内对微气泡稳定性和气含率都具有明显的促进作用，同时，皂角苷对微气泡尺寸分布的影响更大。

XU等比较了表面活性剂SDS和L-150A的质量分数为1%时，超声波与机械搅拌产生微气泡悬液特性的差异。结果表明，表面活性剂差异对机械搅拌法产生微气泡特性影响较小；而与SDS相比，L一150A使得超声波法产生微气泡的平均直径显著降低。此外，这2种表面活性剂存在时，与机械搅拌法相比，超声波法产生的微气泡悬液气含率更高、平均尺寸更小、数量更多，表明超声波法对于微气泡悬液产生具有一定优势。

1．3 溶气及电化学作用

溶气及电化学作用产生的微气泡用于污水处理工艺中的气浮过程，如电气浮、溶气气浮、电喷射气浮等。电气浮产生的微气泡直径为22～5O μm，其变化取决于实验条件。溶气气浮产生的微气泡直径为1O～120μm，平均值为40μm，气泡直径随着系统饱和压力及流量的增大而减小。例如TAKA—HASHI等的研究指出，溶气气浮微气泡的平均直径为46～57.5μm，随着溶气压力的增加气泡尺寸略有减小，但变化不大 。电喷射气浮产生的微气泡平均直径为31.4～41.3μm，气泡平均直径随着流量和系统输入功率的增大略有增长。研究表明，就气泡大小而言，溶气法产生的微气泡平均直径最大，电气浮法产生的微气泡平均直径最小，电喷射法介于二者之间；就气泡尺寸分布而言，溶气法产生的微气泡尺寸比较统一，尺寸分布范围也最窄，而电喷射法的微气泡尺寸分布范围最宽，电气浮法介于二者之间 。

1．4 微流体作用

微流体多相流系统作为一种产生微气泡的设备得到了广泛关注。该系统由3个入口和1个出口通道组成，通常中间的入口为气体通道，两侧的人口为液体通道，气体和液体在节点处形成气一液混合液进入出口通道。液流可以通过惯性作用和增加气液界面相对速度加速微气泡形成。SHINTAKU等研究流体参数对微气泡的影响。结果表明：液体流速越大，产生的微气泡越小；液体流速大于0.03 m/s，气体速度大于0.01 m/s时能够产生稳定、连续的微气泡。但目前这种方法产生的气泡尺寸较大，如液体流速为0.101m/s，气体速度为0.018 m/s时，气泡平均直径为153μm，还不能满足微气泡的尺寸要求，需要进一步改进。

1．5 微多孔介质

利用某些介质的微多孔结构也可以产生微气泡悬液。例如，将玻璃进行相位分离和酸滤处理后形成微多孔玻璃膜，其微孔直径为0.97～5.1μm。气体在合适的条件下通过微多孑L玻璃膜，在含有表面活性剂的溶液中就可产生微气泡悬液，微气泡尺寸为27．8～64．8μm。微气泡的尺寸首先决定于膜的孔口尺寸，另外还受跨膜压、膜的表面湿润性能、液体流速以及表面张力等因素的影响。表面活性剂的类型也会对微气泡尺寸产生影响，如使用SD—BS和Tween 20时，产生微气泡的平均直径分别为35.6μm和43.0μm。

如上所述，微气泡产生方法和原理不同，会造成微气泡特性存在差异，其应用领域也会有所不同，因此在应用微气泡的过程中要选择适宜的发生方式。此外，由于表面活性剂可以降低气泡的表面张力，促进微气泡的形成，因此在很多微气泡产生方法中都需要表面活性剂的参与，但表面活性剂的存在可能会对微气泡的应用造成影响，值得注意。

2 微气泡的特性

由于微气泡的尺寸极小，因此和传统的大气泡相比，表现出不同的行为和特性，如在传统气浮水处理工艺中，微气泡对悬浮污染物表现出极强的吸附能力。研究发现，微气泡在传质、界面性质等方面也表现出一些独特性质。

2．1 强化传质

气——液传质是许多化学和生化工艺的限速步骤。研究表明，气——液传质速率和效率与气泡直径成反比，微气泡直径极小，在传质过程中比传统气泡具有明显优势。BREDWELL等测得氧气微气泡的传质速率为2.9×10－5——2.2×10－4m／s，平均直径为60μm的微气泡的体积传质系数K 为200～l800h－1 ，远远大于传统气泡 。在发酵过程中，也有研究证实微气泡的传质系数远大于传统气泡，传统气泡的Kla为14h-1，微气泡的Kla为91h-1。WORDEN等建立了微气泡传质的动力学模型，分析了传质阻力、气泡收缩、气体压力变化以及气泡的内部构成、气泡周围液体浓度分布曲线的变化等因素的影响，发现微气泡瞬时传质系数随时间变化明显，但一段时间内的平均传质系数却相当稳定。

2．2 收缩特性

收缩现象是微气泡在液体中的一个重要行为特性。相对于传统大气泡在液体中迅速上升并在液面破裂的行为，微气泡上升缓慢，且尺寸逐渐减小，气泡收缩甚至消失，其行为特性与传统气泡差异很大。这种行为特性使得微气泡在液体中的停留时间较长，也成为微气泡能够强化气一液传质的重要原因之一。

微气泡产生方法和表面活性剂种类对其收缩行为具有影响，主要表现为使用不同产生方法和表面活性剂，微气泡收缩的临界直径值不同。XU等研究发现，采用L一150A为表面活性剂时，机械搅拌和超声波微气泡收缩的临界直径分别为100μm和5Oμm；而采用SDS为表面活性剂时，机械搅拌和超声波微气泡收缩的临界直径分别为80μm和40μm。无论采用哪种方法，收缩速度均随气泡尺寸的减小而增大，直径小于20μm的微气泡迅速收缩并消失 ]。产生以上结果的原因是气泡收缩时气体由气泡内部向外部扩散的能力，受到周围水溶液的物理化学性质、界面表面张力、渗透性、厚度和弹性等因素的影响。

2．3 微气泡的S电位

微气泡的表面电荷是微气泡的重要特性之一，通常采用S电位来表征。S电位对气泡之间的合并和气泡收缩过程有重要影响，微气泡的S电位越高，静电斥力越大，合并越不容易发生。在小于60μm的微气泡中，S电位不受微气泡尺寸的影响，而表现为常数，例如在纯水中，微气泡S电位平均值约为一35 mV。TAKAHASHI等发现微气泡S电位受电解离子浓度、溶液pH值等因素影响较大。加入电解液后，S电位随着电解离子浓度的增加而减小。另外，溶液pH值对微气泡的S电位影响显著，pH值在4．5～10范围内变化时，S电位为负值，其绝对值随着pH值的增大而增大，直到pH值为1O时达到稳定，大约为一l10 mV；当pH值<4．5时，微气泡的S电位为正值。HASEGAWA等的研究得到了与TAKAHASHI同样的结果。电解离子浓度、溶液pH 值等因素的影响都可归结为H+和oH-形成氢键的作用，TAKAHASHI等通过酒精对微气泡表面电荷的显著影响证实了这一点，而且oH-比H+对气泡界面特性的影响更明显。

2．4 产生自由基

传统气泡在超声波或水压等外部条件存在时，气泡破裂只需几微秒的时间．并产生局部高温高压现象，生成大量自由基。而微气泡不需外界刺激即可破裂产生自由基，但破裂过程比较缓慢，通常需要几十秒甚至几分钟的时间，而且不产生局部高温高压。TAKAHASHI等研究了没有外界刺激条件下微气泡破裂产生自由基的情况，结果表明，在强酸条件下，大量H+聚集在微气泡表面，使得微气泡的电位显著增加，气泡破裂时界面消失，周围环境剧烈改变产生的化学能促使羟基自由基生成，其生成的羟基自由基对苯酚表现出很强的氧化分解能力。此外，臭氧微气泡破裂比氧气微气泡更容易生成羟基自由基。当然，外界刺激条件的存在对微气泡破裂产生羟基自由基的过程也具有显著的促进作用。TASAKIA等研究了UV光线对微气泡羟基自由基生成的影响，结果表明，UV光线加速了羟基自由基的生成，大大提高染料氧化脱色的速率口 。同时，UV光线入射波长越长效果越差，180nm的光波与微气泡系统结合氧化脱色效果最好，反应速率常数比传统大气泡系统高2倍。此外，脱色速率不受水中溶解氧浓度的影响，只与气泡尺寸有关。如上所述，微气泡与传统气泡相比，在强化传质、去除有机污染物等方面表现出一些优良特性，使其在环境污染治理中具有良好的应用前景。

3 微气泡的应用

目前，微气泡在环境污染治理中的应用时间最长、最为广泛的还是气浮工艺，其他领域新的应用还处于起步阶段，应用领域较窄。例如，在强化气一液传质应用中，多集中在强化臭氧处理的气一液传质过程，传统的曝气充氧过程的研究应用较少。此外，微气泡悬液在环境污染修复中研究应用较多。

3．1 强化臭氧传质

臭氧处理过程中，臭氧的利用效率受到臭氧传质过程的影响，微气泡臭氧处理可以强化臭氧传质，显著提高臭氧的利用效率，降低臭氧的使用量。SHIN 等发现直径小于50μm的微气泡，其臭氧传质速率是传统气泡的2．8倍，且水中臭氧浓度大于传统气泡，有利于污染物的去除 。CHU 等的研究也证实微气泡比传统气泡具有更强的传质能力和更高的臭氧浓度，其传质系数比传统气泡高1．8倍。此外，CHU 等还在污泥臭氧处理研究中证实，微气泡系统比传统气泡系统具有更高的臭氧利用效率，微气泡系统臭氧利用率始终保持在99%以上，废气质量浓度仅为0.26～1.42 mg／L，而传统气泡系统中废气质量浓度高达2．0～32．2 mg／L。另外，臭氧微气泡可产生更多的的羟基自由基，加速污泥溶解，相同的臭氧剂量下，微气泡处理污泥释放出的COD，TN及TP均数倍于传统气泡，表明臭氧溶解效率显著高于传统气泡。

3．2 环境污染修复

微气泡悬液在多孔介质中具有优良的流动性能和物质输送能力。例如，PARK等研究了微气泡悬液在多孔介质中的流动特性，发现在均匀和非均匀介质中，微气泡悬液中的气体均表现出活塞流的特性，能够克服介质本身渗透性能的差异。另外，CHOI等采用不同的表面活性剂溶液进行试验，发现微气泡不仅能克服介质均匀性差异，而且在压力变化时也能均匀供氧。这些特性对微气泡用于地下水和土壤的污染修复非常有利，因此在地下水修复和土壤净化等方面具有良好的应用前景。例如，在地下水修复中，利用微气泡悬液作为载体，将污染物降解微生物、微量营养元素、氧气等各种物质同时输送至污染部位，使氧化、生物强化及生物刺激等效应同时实现。JENKINS用氧气微气泡提供电子受体，对土壤中的二甲苯进行原位修复，微气泡在修复区域的保持时间大约是45min，氧气利用率为71%—82 %。

目前，微气泡在新领域中的应用还受到理论研究和产生方法的限制，特别是加强微气泡产生原理方法的研究，并根据应用要求，开发能够稳定、高效、低耗地产生微气泡的装置设备，应该成为今后微气泡应用研究的重点方向。

4 存在的问题

目前在微气泡应用中还存在一些问题需要解决。例如，在废水生物处理中微气泡曝气充氧是其今后的主要应用方向之一，但微气泡在提高氧传质效率的同时，还可能存在一些问题：1)污泥絮体吸附在微气泡表面，使污泥沉降性变差，污泥上浮现象严重；2)污水中含有表面活性剂等污染物，会使微气泡曝气形成大量泡沫，对污水处理系统带来不利影响；3)现有微气泡曝气设备多采用水力作用原理产生微气泡，在处理系统中产生的水力条件过于剧烈，不利于污泥絮凝，且能耗较大。

如前所述，需要综合考虑氧传递速率和水力条件等因素，开发更为适宜的微气泡生成技术及设备。总之，微气泡尽管表现出一些优于传统气泡的特性，但还需要开展更为广泛和深入的研究，以解决微气泡应用中的理论和技术瓶颈，使之在环境污染治理工程的实际应用中发挥优势。

5 结论与展望

微气泡具有极小的直径，和传统气泡相比具有一些优良特性，在环境污染治理中表现出良好的应用前景。微气泡的产生方法对微气泡特性以及应用领域具有显著影响，表面活性剂对微气泡产生的作用值得关注。目前微气泡的研究和应用结果已经展示了微气泡在强化气一液传质和污染修复等方面的应用优势，但仍有一些理论和技术问题需要解决，特别是与微气泡应用相适应的微气泡发生技术和装置的开发。因此，微气泡的理论研究和技术开发工作还需要继续深入，相信随着微气泡技术研究的不断深入，微气泡曝气在污染治理中的实际应用是能够实现的。

来源：《河北工业科技》