浅述纳米气泡原理及水处理应用

Hao Feng

4年前

类别：水处理

关键词：纳米气泡，水处理，有机物去除

联合国将获得安全饮用水视为一项人权，城市和工业废水在进入水体前要求净化处理。这些保护案需要处理技术的支持，来去除自然产生的（例如砷、铬、氟、锰、放射性核素、盐、硒、天然有机物、藻类毒素）或人为产生的（例如硝酸盐、磷酸盐、溶剂、燃料添加剂、药物）的化学物质以及颗粒物（例如病毒、细菌、粘土）对河流、湖泊、海水、地下水的污染。这些技术适合于在复杂和不断发展的城市和农村水系统中的水处理或水再利用。现今，数以百计的水处理技术已经存在，并且在越来越复杂和不断发展的城市和农村供水系统中以多种形式配置使用。这些技术的关键过程包括颗粒聚集，消毒和化学氧化，吸附或生物转化。而纳米气泡的提出增加了改进现有技术并使新技术能够生产更少的副产品，让更健康的水处理得以实现。

纳米气泡原理

米气泡（Nanobubbles）是直径小于一微米的气泡（有时也被称为超微气泡 – ultrafine bubbles），它们表现出许多有趣的特性，例如停留时间长，传质效率高和比表面积大。高比表面还促进了气液界面中的物理吸附和化学反应。纳米气泡的崩溃会产生冲击波，从而促进羟基自由基（•OH）的形成。羟基自由基是一种高反应性氧化剂，会与有机物发生非特异性反应并分解。

同时，纳米气泡比起大气泡和微气泡，在水体中停留时间长（图1）。例如：氧气纳米气泡可以使空气中的氧气能充分溶解到水中，与微米气泡相比提高了100-500倍的溶氧率；臭氧纳米气泡在水中额外的停留时间，可以有效的进行反应和消毒，从而提高污染和病原体去除的效率。

因此，纳米气泡已被证明可用于许多工业和工程应用，包括用于化学加工，制药，无洗涤剂清洁，水曝气，超声成像和细胞内药物输送的乳化技术，矿物加工，微沸行为，矿物浮选，水净化，污水处理等。在环境应用中，该技术可有效地为水或废水处理厂，景观水和受损水体的修复提供氧气或曝气。

例如臭氧纳米气泡可以在海水中灭活细菌而不会对其他生物（例如虾）产生毒性。使用多孔介质床氧化有机污染物（即三氯乙烯）时臭氧纳米气泡被证明比空气纳米气泡更有效，并且不妨碍水通过介质流动。除了臭氧以外，也有使用更廉价的氧气或空气的设备，用它们（包括臭氧在内）产生纳米气泡时，会提供额外的反应性，即活性氧簇（ROS），包括前文所说的羟基自由基，以及超氧化物(O2•−), 单线态氧(1O2)等。他们会与纳米气泡共存。活性氧不能直接测量，所以浓度是通过与探针分子的反应来量化的。研究者们发现使用臭氧产生纳米气泡时，羟基自由基的浓度明显超过超氧化物和单线态氧。纳米气泡产生活性氧的过程可通过添加紫外线照射或化学物质（如过氧化氢、铜）来加速。纳米气泡产生的羟基自由基是非选择性的，可以氧化许多有机化合物。常见的高级氧化处理（AOPs）用于水处理通常需要结合臭氧或紫外线照射以及过氧化氢来产生羟基自由基。无论是臭氧发生器还是紫外线照射都需要消耗大量能源，需要现场储存或生产化学品，而在反应器内生产的羟基自由基，停留时间只有10秒到20分钟。而纳米气泡产生的羟基自由基能与高级氧化处理法相当，附带的超氧化物和单线态氧也可以进一步加强病原体灭活能力。另外，由纳米气泡持续产生的羟基自由基在水中的停留时间以数小时起算，有极大的优势。另一方面，纳米气泡可以抑制和清除水处理设备表面的污垢。在现有的水处理过程中，微生物、有机和无机物质粘附在湿表面上时（例如，砂、活性炭或金属氧化物过滤介质；膜；石英套管紫外灯；热交换器；管道、传感器或管道固定装置），会降低水处理的效率。减轻或去除这些污垢的常用策略涉及化学品（表面活性剂、酸、碱、氧化剂）或利用局部高能水动力剪切（例如，增加湍流、改变流动方向）。纳米气泡的高比表面积和界面自由能可以替代或增强现有的污垢缓解策略。例如细菌生物膜，是水系统中一个重要的运行和健康问题。纳米气泡通过相互作用破坏细胞结构，并灭活时常污染过滤膜或其他表面的细菌。纳米颗粒的振动运动也可能导致剪切力直接破坏生物膜。一些科研证据证明使用纳米气泡可以减轻各种表面的污染，从而减少化学药物的使用和高耗能的清洗。

在水处理应用中，它的范围及用途包括

水产养殖、河道治理（发臭水体）、景观湖、污水处理厂增氧、工业废水脱氨氮脱硫、生态恢复等等。可将水体变成有营养的富氧水（溶氧饱和的富氧净化水），富氧净化水可以消除腐败物，低成本去除COD、氨氮、硫化氢等臭味，迅速修复生物和生态系统。

部分针对的水体：

01 无营养的纯瘦水，即淡绿色、水中易生长丝状藻类和水生植物的淡青色河水，浮游生物很少。

02 富营养型的黑臭水，包括：

黑墨色或黑绿色污染水，天热时浮起一层绿膜，以双鞭子、裸藻门藻类为主，水中浮游植物较多；
红棕色污染水，即以裸甲藻、多甲藻类为主，在阳光照射下发红发臭；
蓝绿色污染水，即以颤藻、鱼腥藻、微蘘藻等蓝藻类为主，易产生毒性大的硫化氢，常积于池角、水呈蓝绿色，奇臭难闻，滋生蚊虫，严重污染环境。

本文的部分文字翻译、总结自学术期刊“Accounts of Chemical research”的文章《Nanobubble Technologies Offer Opportunities To Improve Water Treatment》。作者为Ariel J. Atkinson等。

原文链接https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.accounts.8b00606