【菜科解读】

纳米气泡的科学之谜。

这项研究发表在《自然通讯杂志：天体物理学和天体生物学卷第11期(2019年4月)上。

该研究的主要贡献是，通过观察一个小的纳米气泡的形形成，科学家们可以了解恒星的演化过程。

这个小的纳米气泡可能是由于某种原因，导致它们在恒星形成的早期阶段被捕获，然后在恒星形成后的的很长一段时间里保持稳定。

研究人员表示，这些气泡可能是由于恒星内部的压力变化引起的，也可能是由于外部环境的影响。

摘要：微纳米气泡的独特物理化学性质和生理活性在国内外有广泛的关注，并在纳米气泡形成的机制、气泡测定方法、分布特征等基础研究领域取得了一系列成果。

微纳米气泡技术应用于环保领域具有广泛的研究基础和前景，在污水处理领域、河道治理领域、土壤及地下水修复领域、气浮领域、废气治理领域方面均有涉及。

本文探索了微纳米气泡技术在以上各领域方面的研究基础及前景。

关键词：微纳米气泡技术、污水处理、河道治理、环保

1、微纳米气泡技术

对于微纳米气泡的研究始于19世纪，微纳米气泡的应用情况最早可以追溯至20世纪90年代，日本科学家最先研究出微纳米气泡发生装置，主要应用于水产养殖方面。

随着对微纳米气泡研究的深入，发现其对生物科学、流体动力学等多个应用领域中都有着较为深远的影响[1]。

虽然学者们对气泡的大小范围具体有不同看法，但大多数同意微气泡直径应该在10－100微米的范围，1-10μm为亚微米气泡，10-1000nm为纳米气泡[2]，而释放和水力剪切的结构是影响气泡尺寸的关键，在微距镜头下微纳米气泡图片如图1所示。

微纳米气泡的性质主要有以下几点：（1）在水中停留时间长；（2）自身增压溶解；（3）比表面积大；（4）表面带电；（5）收缩性；（6）氧化性；（7）杀菌性；（8）稳定性；（9）电离现象；（10）超声波性；（11）生理活性；（12）扩散性。

图1 微纳米气泡在微距镜头的显像

对（2013年-2017年）首次公开的专利可以找出近期相关技术的研发重点及热点。

2013 年-2017年首次公开的微纳米气泡发生技术及其应用相关专利的 IPC统计（表1）可以看出，研究热点与重点集中在乳化和水处理，包括废水处理、水域曝气、脱气等等。

微纳米气泡技术在环保领域的应用受到广泛关注，下面将详细介绍微纳米气泡技术在环保各方面的应用情况。

2、微纳米气泡技术在环保领域的应用

2.1微纳米气泡技术在污水处理领域的应用

曝气是废水好氧生物处理工艺的基本过程，可为污染物的好氧生物降解提供溶解氧，在曝气单元中，溶解氧浓度的高低对有机污染物的去除起着直接作用。

微米气泡曝气作为新一代的高效节能环保技术，对改善水质的作用主要有以下几个方面[3]：(1)消除有机物污染和黑臭；(2)减少水体营养盐含量；(3)消除藻类水华；(4)改善水色及透明度；(5)减少底泥内源污染；（6）氧化底泥中的污染物质，改善厌氧环境[4]。

很多学者对微纳米气泡与废水处理之间的关系进行了相应的研究。

在同样的溶解氧浓度下，微纳米气泡几乎完全抑制了水体里厌氧菌的生长，而普通曝气则依然存在大量的厌氧菌，因此微纳米气泡曝气大大的提高了好氧菌的活性及生存条件，对有机物的去除有着非常好的积极作用。

合肥工业大学资源与环境工程学院对微纳米气泡曝气技术在生活污水处理中的应用进行了相应的研究[5]。

研究表明，与普通鼓风曝气对比，微纳米气泡曝气对CODCr、SS、氨氮、TP和TN的去除效率可以提高10%～20%，并节省15%左右的电能。

Ashutosh Agarwal等[6]研究了微米气泡去除尼龙膜表面膜污染的效能，发现微米气泡清洗可以去除大部分固化微生物、胞外多糖和蛋白质，对膜清洗更加有效及生态，不造成二次污染。

另外，微纳米气泡水对灭菌基本没有效果，微纳米气泡本身没有灭杀细菌的特性，但是气泡在破裂的时候产生一些能够灭杀细菌的羟基自由基，表现依据是通过微纳米气泡曝气后水中的菌落有明显变化，但是由于其数量比较少，同时又有水中可能存在很多易被氧化的物质减少或者消失，因此在通常情况下微纳米气泡水对外不表现出杀菌能力。

由此可以看出微纳米气泡的主要功能是除菌而并不是杀菌，微纳米气泡水通过吸附，可以将更多的细菌冲洗带走，用来清洗物体表面的话，除菌效果比较好，清洗作用比普通水强。

张奎兴等[7]以珠江水系某支涌为研究对象，研究AH型超微米气泡发生水处理装置治理污水的能力。

结果表明微纳米曝气使水体中的溶解氧上升明显，水质得到一定改善，对COD和BOD去除率也将近70%左右，氨氮和总磷也大幅度去除，去除色度也较好。

中国环境科学研究院、北京科技大学、河北工程大学、辽宁石油化工大学环境与生物工程学院于2011年对微米气泡曝气技术处理黑臭河水的效果进行了相应的研究[8]，微米气泡曝气处理黑臭水体具有很好的效果，对黑臭污水的处理效果由高到低依次为微米气泡曝气>普通曝气>无曝气方式。

北京中农天陆[9]利用微纳米增氧曝气协同生物净化河道治理系统对河道进行增氧曝气，在其案例中溶解氧可提升至2-3 mg/L，透明度提升至30cm，COD、SS、TN、TP去除效率达到25%-30%。

徐彬等[10]采用微纳米气泡对河道进行净化处理，系统运行稳定后情况有明显的提升，主要污染物水质稳定在Ⅱ～Ⅲ类水平，COD、氨氮、总磷平均去除率分为36. 8% 、42. 4% 和 49. 1% ，效果显著。

可以看出，在治理河道过程中，一般将微纳米气泡技术与生物净化技术协同一起。

通过微纳米气泡技术增加河道的溶解氧及生物活性，对河流和湖泊的COD、氨氮、总磷等指标均有较高的去除率，对DO、透明度等指标有明显改善。

单纯微纳米气泡氨氮降解作用不大，有些体系还会增加氨氮浓度，氨氮浓度的下降主要依靠微生物的作用，而在微纳米曝气条件下可以提高污水中溶解性有机物（DOM）的含量，进而提升污水的可生化性能，且在曝气中大大提高了反应池的生物量和生物活性，显著提高污水的处理效率。

因此需要将微纳米气泡增氧手段和传统水处理手段进行联合，才能将废水中的污染物去除效率大大的增加。

2.2微纳米气泡技术在土壤及地下水修复领域的应用

微纳米气泡强化修复技术的去除机理主要包括：a利用微纳米气泡的高效传质、存在时间长、影响范围大的特点，应用不同气体实现污染物的去除；b微纳米气泡强化修复技术与抽出处理技术联合应用，在现场应用中使用注水井和抽水井系统形成人工地下水流场，通过抽水井可直接抽取污染地下水进行处理；c在注水及抽水过程中，地下水可对吸附于土颗粒表面的污染物冲洗剥离。

微纳米气泡强化修复技术是一种新型的曝气技术，与地下水曝气法相比的异同如下表2所示[11]：

2011年Choi等[12]利用微纳米气泡洗涤系统处理被石油污染的垃圾场表层土壤调节过氧化氢浓度为15%，连续处理2h 后，总石油烃去除率达25.9%。

2013年Li等[13]提出，将微纳米气泡应用于地下水修复技术，可大大提高生物修复效果。

2016年Xia等[14]将臭氧氧化与微纳米气泡技术相结合，应用于地下水有机污染严重的南京某工厂，研究表明臭氧MNBs在有机污染场地的原位修复中具有潜在的应用前景。

微纳米气泡技术在地下水水土环境修复方面的应用研究进展缓慢，尚处于探索起步阶段。

根据有相关研究成果，将微纳米气泡技术与地下水原位曝气修复技术结合，有望对被石油类污染物、重金属污染的土壤进行高效的修复。

目前针对微纳米气泡的研究证明了该技术在有机污染地下水原位修复中所具有的潜力，但是目前为止的研究局限于对现象的观察，在微纳米气泡的传质能力以及修复机理方面还有待深入的研究分析，微纳米气泡在实际污染场地中的应用仍然非常少。

2.3微纳米气泡技术在气浮领域的应用分析

微纳米气泡表面带有负电荷，在水体中能产生非常浓密而细腻的气泡而不会像常规气泡一样出现融合增大而破裂。

表面电荷对水体微粒的吸附性可以把水体中有机悬浮物固定并分离，乳液破乳后粉体堆积密度小于水，浮在水上；微纳颗粒比重大，沉底。

与微气泡结合的粉体可加速上浮，因此微纳米气泡具有良好的气浮性能。

利用微纳米气泡良好的气浮性，将微纳米气泡通入到添加了絮凝剂的废水中，微纳米气泡通过表面张力作用黏附于废水中的颗粒物上，形成整体密度＜１的絮凝体，使其上浮至水面，通过对漂浮于水面污物的收集，实现固液分离，使废水水质得以改善[15]。

Liu 等比较了微米气泡气浮工艺与传统气泡气浮工艺对印染废水的预处理效果；也有学者提出了利用微纳米气泡对含藻污水进行气浮处理，实现清水与蓝藻分离；另外，将臭氧及微纳米气浮相结合，利用气浮及臭氧的强氧化性，对难降解有机物进行分离氧化。

以上研究都表明气浮效果良好[16]，并且部分已经得到工程应用。

目前，市场上已有微纳米气泡气浮相关定型设备，如水体净化增氧一体化遥控气浮船等功能项设备，可通过微纳米气浮原理对各性质的废水进行气浮操作，达到去除水体微小颗粒物的目的，实现固液分离的净化效果，再联合其他水处理手段，彻底将废水净化达标。

2.4微纳米气泡在废气治理领域的应用分析

微纳米气泡可应用于环境保护领域中废水、废气等治理[17]。

例如汽车零部件制造企业，产品表面需保持美观，并防止表面被空气氧化，因此需对产品进行喷漆。

但由于城市规划的缺陷，居民区与厂区距离很近，为减少喷漆废气对居民的影响，需降低喷漆废气的排放浓度。

基于这方面的目的，可选择微纳米气泡工艺进行喷漆房废气净化处理[18]。

科研单位曾针对微纳米气泡技术在喷涂废气治理中的应用进行试验，试验主要分为两部分：一是针对漆雾的捕捉，二是针对废气的净化，试验结果表明去除效率不太理想（＜60%）。

由于目前微纳米在废气治理上的研究及应用较少，从数据上看微纳米气泡在废气治理领域的应用效果有限，尚存在一些待研究及改进之处，需进一步强化净化效果，并与其他技术进行结合，如与其他净化技术联用对废气进行大面积治理，提高废气去除效率。

3 小结

综上所述，我们发现微纳米气泡在环保很多方面均有研究和其应用，但研究主要集中在污水处理及河道治理方面。

其废气处理、地下水修复方面研究比较少，其成熟应用更少之又少。

因此在之后的微纳米的研究进展可能在水处理方面更精益求精，并减少成本，扩大推广。

而在废气及地下水修复方面则深入研究，使微纳米气泡可以在这两方面得到成熟的推广应用。

参考文献 ：

[1]. 王永磊等, 微纳米气泡发生机理及其应用研究进展. 山东建筑大学学报, 2017. 32(05): 第474-480页.

[2]. Temesgen T, B.T.T.H., Micro and Nanobubble Technologies as a New Horizon for Water-Treatment Techniques. Adv Colloid Interface Sci, 2017.

[3]. 江浩与吴涛, 微纳米曝气技术在水环境治理方面的应用. 海河水利, 2011(01): 第24-26页.

[4]. 熊永磊, 杨小丽与宋海亮, 微纳米气泡在水处理中的应用及其发生装置研究. 环境工程, 2016(06): 第23-27页.

[5]. 吕宙等, 微纳米气泡曝气技术在生活污水处理中的应用研究. 广州化工, 2014(07): 第122-124+168页.

[6]. Ashutosh Agarwal, H.X.W.J., Biofilm detachment by self-collapsing air microbubbles: a potential chemical-free cleaning technology for membrane biofouling. Journal of Materials Chemistry, 2012.

[7]. 张奎兴与罗建中, 超微米气泡技术应用于黑臭河水质处理试验研究. 环境工程, 2014(02): 第30-32+76页.

[8]. 洪涛等, 微米气泡曝气技术处理黑臭河水的效果研究. 环境工程技术学报, 2011(01): 第20-25页.

[9]. 张天柱等, 基于微纳米增氧曝气和生物净化效应的河道治理系统, 2017. 第 8页.

[10]. 徐彬, 郑之奇与张珂, 微纳米气泡改善太湖入湖河道水质的工程实例研究——以苏州南北华翔河水质改善工程为例. 环境监控与预警, 2013(01): 第15-16页.

[11]. 李恒震, 胡黎明与辛鸿博, 微纳米气泡技术应用于污染地下水原位修复研究. 岩土工程学报, 2015. 37(z2): 第115-120页.

[12]. Choi HE, K.D.C.Y., A Study on the Treatment of Oil Contaminated Soils with Micro-nano Bubbles Soil Washing System. Journal of Environmental Science International, 2011.

[13]. Li H, H.L.X.Z., Impact of groundwater salinity on bioremediation enhanced by micro-nano bubbles. Materials, 2013.

[14]. Xia ZR, H.L., Remediation of Organic Contaminated Industrial Sites by Ozone Micro-nano Bubbles. Geotechnical Special Publication, 2016.

[15]. 唐向阳等, 微纳米气浮处理造纸法烟草薄片废水试验研究. 新技术新工艺, 2012(09): 第49-50页.

[16]. 王建等, 微纳米气泡藻水分离试验研究. 长江科学院院报, 2017(04): 第20-23页.

[17]. 彭芬, 微纳米气泡技术在喷涂废气治理中的应用. 中国环保产业, 2017(05): 第35-37页.

[18]. 谢永钦, 微纳米气泡技术在喷漆废气治理中的应用. 科技经济导刊, 2017(33): 第81-82页.

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