微气泡及其在环境污染控制中的应用

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,分析了表面活性剂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,以及造成这些差异的原因。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。     

驻留式电解微气泡流动稳定性及减阻性能

针对航行体表面稳定高效水下减阻问题,提出自稳式电解微气泡阵列流动减阻性能试验研究。制备电极壁面微柱孔阵列表面试片经电解形成稳定微气泡阵列气膜,揭示电解电压、微柱孔尺寸、来流速度影响电解微气泡生长行为、驻留稳定性的作用机制,通过试验及数值方法研究微气泡阵列流动减阻性能,分析减阻机理。研究结果表明,电极壁面微柱孔可实现微气泡电解自适应启停控制;相同微柱孔直径时,电解电压增大则微气泡达到稳定直径用时越短,但微气泡阵列稳定时间及驻留率降低;相同电解电压下,250μm柱孔内微气泡达到稳定直径用时较少,且微气泡阵列稳定时间及驻留率更佳;气膜型驻留微气泡较突出型具备更强的驻留稳定性;250μm柱孔微气泡阵列气膜表面样片平均减阻率约为23%,微气泡阵列稳定时间及驻留率最大值分别为420s、95.46%（20V）;驻留微气泡形变及气/水两相界面力共同作用使得微气泡上侧产生大量上抛高速流动,抑制了流向涡下扫流动猝发,显著减小近壁区雷诺切应力;微气泡阵列近壁数值平均湍动能约为0.010 m2/s2小于纯平板（约为0.021 m2/s2）,微气泡阵列壁面数值平均剪切力约为30Pa小于纯平板（约为55Pa）,故可达到高效湍流减阻。     

微细粒疏水矿物表面微泡强化浮选的作用机理

微泡在微细粒矿物浮选中,体现了较高的回收率和较好的选择性.相比较大气泡而言,微气泡对浮选的显著改善主要是由于气泡-颗粒之间碰撞频率和附着概率的增加.研究结果表明：矿物表面的微气泡,即已经附着在颗粒上的气泡,可增加浮选回收率;细辉钼矿颗粒(D₅₀=21.8μm)的微泡浮选试验表明,通过流体空化产生的表面微泡可以实现更高的回收率.辉钼矿可浮性的提高主要原因是：矿物表面微泡引起的颗粒团聚和颗粒与浮选气泡之间的诱导时间减少.Zeta电位分布的分析表明微泡在矿物颗粒表面空化.经光学显微镜观察,发现矿物颗粒是通过表面微泡形成团聚.通过动态力装置(Dynamic Force Apparatus, DFA)观测到了表面微泡和浮选气泡之间液膜的快速排液过程.本文拓展了微细粒浮选中表面微泡的理论深度,对实际生产具有一定的指导意义.     

基于气泡理论分析表面活性剂对微孔曝气增氧性能的影响

在污水处理厂、湖泊、水库、河口和养殖池塘等需要曝气增氧的水体中,通过增氧机来维持水体溶解氧的动态平衡是非常重要的。而生活污水、城市废水等水体中常常会存在有表面活性剂,当这些废水进入以上需要曝气增氧的水体时,势必影响微孔曝气系统的增氧性能和传质效果。因此,为了探究表面活性剂对微孔曝气系统增氧性能的影响,在长2 m、宽0.8 m、高0.8 m的试验水池中,以固定于水池中央的微孔曝气盘为增氧机,根据美国土木工程协会（ASCE）标准增氧试验方法,以阴离子表面活性剂,即十二烷基苯磺酸钠为影响因子,在5种曝气流量和阴离子表面活性剂浓度下进行了一系列的水体底部微孔曝气增氧试验。基于氧体积传质理论和气泡理论,计算分析了水体氧体积传质系数、气泡的Sauter平均直径和波形因子等参数,结果表明：在一定的曝气流量下,1 mg/L的阴离子表面活性剂提高了水体的氧体积传质系数,促进了氧传质;在阴离子表面活性剂浓度为1～5 mg/L时,随着浓度的增加,氧体积传质系数降低;而且阴离子表面活性剂使气泡的Sauter平均直径降低,降低率达到22.76 %;在水体无表面活性剂的试验中,气泡的波形因子变化幅度较大,气泡的形状趋于扁平,而表面活性剂的存在阻碍了气泡发生变形,使气泡的波形因子变化幅度降低,气泡保持在近乎球体状态。     

曝气池清水曝气气泡云团形态特征

目前各种曝气池运行时曝气产生的气泡云团形态差别很大,气泡群时空分布不均,导致氧转移效率在曝气池中的分布差异,能耗高。为了弄清楚盘式曝气气泡云团的形态特征及其时空分布,本文利用高速摄像技术和摄影测量技术,对室内清水曝气实验模型中的气泡云团轴线长度、径向尺度和形态演化进行了观测。结果表明,实验范围内气泡云团轴线形状与水流流速分布曲线形状基本类似,气泡群轴线长度与水深之比介于1.03~1.30之间。曝气量由0.25m3/h增大到2.0m3/h,气泡云团轴线长度和气泡的驻留时间先增大后减小。随着曝气量增大,气泡云团形状变得不规则,且随时间变化越频繁。多个曝气盘曝气,上游的气泡云团会影响下游气泡云团的形态。在流向和展向,气泡云团宽度基本相同;在水深方向上,由曝气盘向水面沿程增大,0.5h0、0.8h0处气泡云团平均宽度明显大于0.2h0处的宽度。不同水深处气泡云团的宽度随时间随机变化;0.8h0处气泡云团宽度随时间的变化最剧烈。气泡群的平均宽度随曝气量增大而增加,曝气量为0.25m3/h、1.0m3/h、2.0m3/h时,气泡云团的平均宽度分别为曝气盘直径的1.0~1.5倍、1.6~2.5倍和1.75~3.5倍。盘式曝气形成的气泡云团在水中可被划分为三个区域：底部的调整区、近自由面区和中部的紊动扩散区,不同区域内的气泡的受力和运动特性不同。气泡云团分区为气泡受力和运动的建模计算提供了依据。     

串联组合型微气泡发生系统的在线测试评价研究

微气泡的质量决定了其在水质工程、矿物浮选工艺等领域中的应用效果,因此在投入使用前应对其粒径分布进行测试评价。借助美国Microtrac公司S3500型激光粒度仪,对国内某公司研制的"微孔管剪切+旋流筛分"组合微气泡发生系统成功实施了激光散射在线测试评价研究。测试结果表明:该系统所产生微气泡粒径集中在50~100μm之间;对基于微孔介质的微气泡产生技术而言,微孔管选择较小孔径的材料有利于得到高质量的微气泡;筛分过程能够有效去除大气泡,进而影响实际输出气泡的整体平均粒径。     

微圆柱阵微通道内沸腾换热及气泡运动特性研究

基于流体体积(VOF)模型对恒定热流密度下的微圆柱阵通道内的流动沸腾换热特性展开数值研究,并利用几何重构法捕捉气液两相界面迁移变化,研究了流道内流速的分布和微圆柱高度对气泡分布、沸腾换热性能及沸腾不稳定性的影响。结果表明:微圆柱的存在增加了气泡核化点密度;气泡运动增加了工质与加热壁面接触的可能性;微圆柱高度较低时,易发生气塞现象,加热面散热不均导致局部异常过热,换热性能下降;微圆柱阵通过阻碍气泡反向流动来降低沸腾不稳定性,但微圆柱高度过高会造成换热系统振荡,影响传热可靠性。     

微加热器上不同工质的气泡动力学实验

设计并采用MEMS工艺制造了一种特征尺寸10 μm并能产生单一稳定微米气泡的Pt薄膜加热器。在不同加热脉冲宽度条件下（100~1 000 ms）,用CCD摄像头和MATLAB程序定量研究了在乙醇、除气水和纳米流体中微气泡的动力学过程。研究发现:不同流体中,随着脉冲宽度的增加气泡直径增大,所需的起始功率减小。乙醇中气泡成核所需的功率最小,气泡直径最小;而纳米流体中所需功率最大,气泡直径也最大。通过表面张力与成核的理论模型对此进行了初步的理论分析。     

舰船远场微气泡尾流的退偏特性

为研究船远场微气泡尾流对偏振光的消偏作用,采用偏振光传输的Monte Carlo模拟程序仿真了尾流气泡幕前向散射偏振度和穆勒矩阵元的二维分布模式,计算了入射光的偏振态、气泡幕的散射系数、气泡幕的厚度以及气泡平均粒径4个类型参量改变时尾流气泡幕前向散射的退偏特性.研究结果表明:尾流气泡幕前向散射偏振度随着入射光偏振态的变化存在不同的方位选择取向,相比于圆偏振光气泡幕对线偏振光有较强的退偏作用,尾流气泡幕退偏作用随着气泡幕厚度和散射系数的增加而增强,随着气泡幕平均粒径的增大偏振度的震荡增大并最终趋于平稳.     

射流曝气微细气泡的PIV测量

射流曝气产生的微细气泡是影响氧传质效率的关键。在射流曝气传质学原理的基础上,通过搭建PIV实验台对设计加工的射流曝气器产生的微细气泡直径等参量进行测量。结果表明,其产生的微细气泡粒径小、分布均匀,气泡上浮平均速度小,横向平均速度大、有漩涡。这些特点均有助延长气泡滞留时间或加强扰动,提高氧传质的效果。     

射流发泡与小球藻的批次气浮采收

采用射流微泡发生器为发泡装置,通过正交实验考察了藻液浓度、凝聚剂用量、絮凝剂用量、表面活性剂用量和充气时间对小球藻批次气浮采收的影响,对不同介质条件下射流微泡发生器的发泡特性进行了分析.结果表明,在正交组合条件下,采收率最高可达89.57%,凝聚剂用量和藻液浓度在置信水平为90%时影响显著;凝聚剂用量增大,采收率随之升高,但絮凝剂用量存在最优值20mg/L;射流微泡发生器可产生毫米级和微米级气泡,毫米级气泡用于药剂和藻细胞的混合,且受表面活性剂和无机盐的抑制兼并作用的影响明显,微米级气泡用于絮凝体的气浮采收,对介质条件不敏感,因此表面活性剂用量对采收率影响不明显;装置充气2s即可满足混合和气浮的需要,继续充气将使形成的絮凝体重新分散,不利于采收.     

气液固三相逆流化床内气泡行为的实验研究

应用自行开发的微电导探针技术,对气液固三相逆流化床内的气泡尺寸、气泡上升速度和气泡频率等气泡特性进行了系统研究,考察了床内气泡特性的轴径向分布规律及气液表观速度、液体黏度、固体加入量、颗粒密度及表面活性剂的加入等对气泡特性的影响规律。结果发现,随距离气体分布板的轴向距离增加或由床器壁向中心区域的距离增加,气泡大小和频率都增加,前者分布从窄变宽,后者相反。气泡上升速度与气泡大小的轴径向分布很相似。随固体加入量、颗粒密度增加或水中乙醇的加入,气泡大小和上升速度减小,气泡频率增加;随表观气速增加,三者都增加;随表观液速增加,气泡大小和频率增加,气泡上升速度减小;随液体黏度增加,气泡大小和上升速度增加,气泡频率减小。利用操作变量和流体物性对各气泡特性进行了关联。     

回转体微气泡减阻影响因素理论研究

为了研究影响回转体微气泡减阻率大小的因素,运用Fluent 6.3软件对某回转体微气泡减阻模型进行了数值计算,分析了喷气速度与来流速度的比值、喷气角度、气泡尺度及空隙率分布等因素对减阻率的影响程度和规律,初步揭示了微气泡减阻的机理,研究了饱和喷气量的形成原因.结果表明,微气泡可使回转体局部摩擦阻力减少80%,总阻力减少约30%;微气泡减阻率的高低主要由喷气速度与来流速度之比、近壁面处空隙率的大小及分布所决定,而与喷气角度以及一定范围内的气泡尺度关系不大;喷气流量增大,摩擦阻力下降,粘压阻力增加,当摩擦阻力减少量与粘压阻力增加量相当时,达到饱和气量.在喷气流量未达到饱和值时,总阻力随气流量的增大而减少.     

在极不均匀电场下变压器油中气泡运动过程及回旋现象

长期运行的油浸式电力设备内部会有少量气泡存在于变压器油中,而设备内部复杂的电场环境会使油中气泡运动形态发生改变,这将会引起电场畸变并最终造成绝缘劣化。本文首先设计了气泡自动生成装置,通过该装置以模拟油中气泡产生,在此过程中利用高速相机对其运动轨迹进行捕捉;随后通过有限元仿真软件建立了气液两相流模型,已获取气泡周围电场分布;最终借助仿真模型从力学角度对气泡上升时所伴随发生的回旋现象开展相关讨论。在研究中利用图像处理软件对拍摄结果进行处理,分析了气泡尺寸以及电场强度对于气泡运动轨迹的影响,结果表明,气泡尺寸增大以及电场强度的增加均会改变气泡自身受力情况使运动偏移量增大;同时结合仿真计算分析可知极不均匀电场的存在使得气泡不同区域场强有所差异,对气泡表面区域进行划分并利用仿真结果对该区域受力进行计算,发现气泡不同区域受力方向各异,最终分析可知极不均匀场的存在导致表面受力不均是引发气泡位移、形变最终造成多气泡回旋的主要原因;且这一过程两电极间将会出现多气泡短暂聚集,这将使得电场畸变进一步加强,造成绝缘性能显著下降。通过本研究厘清了气泡位于极不均匀场下的运动特性,明确了气泡回旋产生原因及其对绝缘性能的影响。     

鼓泡塔板上气泡运动行为的测定

本研究采用探针法测定了大型鼓泡塔板上的气泡行为，给出了含气率、气泡直径分布及上升速度随轴向高度的变化关系，分析了气液流率对气泡行为的影响。结果表明：气泡的平均直径呈x2分布；气泡的平均上升速度与气泡直径成1／2次方关系，且随气体流速的升降而增减。由于液体表面张力的作用，含气率沿轴向高度呈S型分布。     

利用气泡形变振荡提高微细粒矿物浮选效率

研究了利用气泡形变振荡提高微细粒矿物浮选效率的可行怀，分析了气泡形变振荡对矿粒的捕获和排出作用，并对各种影响气泡形变振荡的因素进行了论述，提出了新型气泡开及振荡浮选设备的设计要求，为高效浮选设备的设计提供了新的思路。     

气泡船减阻技术应用研究

本文从气泡船减阻技术的试验研究和实船开发等方面,总结了国内外微气泡减阻技术的研究进展,探讨了影响气泡船减阻效果的主要因素.对其工程应用中的关键技术进行了分析,并提出了有待深入研究的问题.     

微气泡曝气中活性污泥混合液性质变化

采用SPG膜微气泡发生系统,考察微气泡曝气过程中,污泥混合液性质的变化及相关关系,包括污泥粒径、污泥EPS质量浓度、上清液浊度和有机碳质量浓度、混合液黏度和表面张力等.结果表明,在微气泡发生系统中液体循环泵的水力剪切作用造成污泥絮体破碎及污泥粒径减小.在该过程中,污泥EPS释放,上清液浊度和有机碳（特别是胶体有机碳）质量浓度升高,同时污泥絮体的再絮凝能力严重丧失.污泥EPS物质的释放导致混合液黏度增加,但混合液表面张力保持不变.相关性分析表明,污泥粒径减小及污泥EPS释放是造成混合液其他性质变化的主要原因.与离心型循环泵相比,蠕动泵水力剪切作用较弱,对混合液性质的影响较小.微气泡曝气中污泥混合液性质的变化会加速膜过滤过程的膜污染.     

利用气泡形变振荡提高微细粒矿物浮选效率

研究了利用气泡形变振荡提高微细粒矿物浮选效率的可行性，分析了气泡形变振荡对矿粒的捕获和排出作用，并对各种影响气泡形变振荡的因素进行了论述，提出了新型气泡形变振荡浮选设备的设计要求，为高效浮选设备的设计提供了新的思路     

微泡浮选柱选煤技术

分析了微泡浮选柱的理论基础，气泡大小与浮选速率的关系，气泡大小对生产能力的影响．另外还介绍了实验室、半工业和工业生产规模微泡浮选柱的分选效果．很显然，减小气泡直径是改善超细粒物料回收率和取得最大处理能力的关键因素