张平允：新型微气泡装置赋能高品质饮用水未来
微气泡的定义，根据ISO标准，其直径范围为1至100微米。然而，在水处理领域，1至1000微米的气泡亦可被视为微气泡。我们研究所关注的微气泡目标直径为1至100微米。微气泡的发展历程可以划分为四个阶段，分别对应上世纪的70年代、80年代、90年代以及当前。当前，微气泡的强化技术在化工领域的发展速度最快，其需求源于化工过程对更高效率和集成化的要求。微气泡之所以被广泛采用，是因为它在强化气液传质方面具有显著优势，这使得它在化工领域的应用极为广泛，且在所有领域中发展最为迅速。
微气泡之所以引人注目，源于其独特的特性，这些特性使其在化工领域占据特殊地位，同样在核工业领域也备受青睐。微气泡相较于传统毫米或厘米级气泡，展现出更高的稳定性、更持久的停留时间、更大的比表面积以及更快的气体溶解速率。此外，当气泡尺寸减小时，微气泡表现出一些非凡的性能，例如极高的氧气传质效率、显著的界面动电势，能够产生自由基离子、自我增压和溶解。微气泡在扩散过程中，首先形成气泡，随后逐渐在水中溶解，由于其较小的尺寸，溶解过程更为持久。
此外，微气泡在水中能够逐渐由大变小，这一特性引起了我们对其应用的浓厚兴趣。它还具备收缩性和带负电荷的性能。不同直径的微气泡在水中的上升速度各异。若仅在纯水中，其扩散双电层呈现特定形态；若更换气体种类，其扩散双电层亦会经历微妙的变化，这同样颇具研究价值。
发生器种类
接下来，关于微气泡发生器的类型及其应用，需要了解其在水处理领域的广泛用途和独特特性。在水处理领域，选择合适的微气泡发生器至关重要，以确保获得最佳的微气泡强化效果。首先，根据不同的处理需求，我们应遵循基本原则，选取适当的微气泡发生器。
目前，水处理中常用的微气泡发生器主要有三种类型。第一种是溶气-释气式发生器，通过高压溶解气体后再低压释放，从而产生微小气泡，其尺寸范围为0至50微米，但气含率难以精确测量，目前尚无公开数据进行追踪。第二种是微孔曝气式发生器，通常采用膜材料，其气泡尺寸范围较窄，为10至50微米，气含率一般在0至30%之间。第三种是电解式发生器，广泛应用于水处理，其气泡尺寸约为100微米，操作简便，仅需通电即可。在水处理过程中，高品质水的处理要求微气泡尺寸足够小，以便利用微气泡破裂时产生的高氧化还原能力的羟基自由基，降解难以氧化分解的物质，并加快氧气的溶解速率。这里所述的微气泡主要指空气或氧气微气泡，若以臭氧为气源，则形成臭氧微气泡。
在水处理过程中，我们对微气泡的要求是必须避免在生成微气泡的过程中引入新的物质，并且要防止高剪切力对溶液中絮凝体的破坏。众所周知，水处理过程并非孤立存在，而是多种工艺相互耦合。如果微气泡的引入破坏了絮凝体，那么这样的微气泡就不能算是优质的。因此，对于水处理过程中微气泡发生器的评价，不仅涉及其工作原理，还包括其产生的结果对整个系统的影响。
微气泡的类型
简要介绍目前四种主流反应器的类型。首先，我们已经讨论过溶气-释气式反应器，其工作原理是先在高压下溶解气体，随后在低压下释放。这种反应器的关键特性在于气体的溶解量，需尽可能提高溶解量，并且喷嘴结构必须经过特殊设计，以确保在低压释放时，微气泡的尺寸和分布得到保证。然而，该装置存在一个缺陷，即能耗相对较高，微气泡中的气体含量较低。此外，由于在高压环境下进行溶解，因此对设备和管线的承压能力提出了要求。这是该方法的优势与劣势。
接下来介绍的是微孔曝气式，其工作原理基于浮力和惯性力克服表面张力时，类似于生活中吹制肥皂泡的过程，两者原理极为相似。微孔曝气技术通过微孔膜产生气泡，其关键在于对微孔膜孔径和压力的精确要求。该技术的优势在于多孔膜结构简单，设备需求相对较低。然而，其劣势同样明显，即对材料的精度要求极高。若膜孔直径控制不准确，原本应产生的小气泡可能会合并成大气泡，导致整个微气泡装置失效。因此，对材料的精确度要求非常高。此外，仅依靠膜和气压难以形成稳定的微气泡，还需结合其他流体震荡或流体剪切技术，这进一步提高了对设备的要求。精准的材料选择以及微气泡生成方式与其他流体震荡或液体剪切技术的协同作用至关重要。因此，微孔曝气式技术的一个显著缺点是容易导致微气泡聚并，小气泡合并成大气泡即意味着装置的失败。这是微孔曝气式发生器的主要优缺点。
第三种方法为电解式，如前所述，其通过电流控制微气泡的生成。该方法的关键因素包括电解质浓度、电极电压、电流密度以及电极形状。其产生的微气泡分布较为集中，若愿意投入成本调整电解质浓度，根据目前的研究，电解式方法能够获得微气泡尺寸分布最窄、最均匀的效果。然而，该方法的缺点同样显著：首先，产生的微气泡数量较少；其次，能源消耗较大；再者，需要定期清洗电极以确保电解效率。因此，电解法更适合于附加值较高、规模较小的水处理过程。
另一种为旋流式，其工作原理基于液体加压后，通过切向入口导入反应器，并通过内置旋流构件以实现旋流效果。该装置设计的关键因素包括液体和气体的流量，以及旋流内构件的几何结构，因此对设计要求相对较高。旋流装置的微气泡尺寸极小，且尺寸分布均匀。然而，在实际应用中，为了获得更佳的气泡破碎效果，旋流发生器内部通常会产生较高的液相剪切力。若将旋流式微气泡发生装置与其他工艺如絮凝工艺结合使用，可能会破坏水处理过程中形成的絮凝体，这是旋流式装置应用中的一个局限。
臭氧微气泡的去除机理及其应用研究
这部分内容主要基于现有文献，稍后我将详细解释其原因。首先，臭氧在高品质水处理中具有显著作用，无论是在原水处理、水厂处理过程，还是在供水系统中，其效用均不容忽视。然而，传统臭氧应用存在一个重大缺陷，即气液传质效率低下，导致臭氧利用率不高，这是一个普遍存在的问题。因此，如何提升臭氧在水中的溶解度和传输效率，已成为一个极具挑战性的研究课题，众多研究者正致力于此，故在此不再详述。
然而，关于臭氧微气泡的研究之所以被提出，是因为现有研究明确表明，它能显著提升臭氧的利用率和氧化效率。首先，臭氧微气泡的直径极小，仅有几十微米，由于其直径小，介质接触面积较大，因此传质效率较高，停留时间较长。此外，当其破裂时，较大的微气泡可进一步分裂成更小的微气泡，从而释放出更高比率的活性氧化物，表面最大电位也较高，这有助于强化臭氧的传质过程，减少臭氧的无效分解，进而提高臭氧的利用率。这是臭氧微气泡的主要优势所在。此外，当其在水中崩解时，能够产生羟基自由基，从而增强氧化能力。为了进一步证实这一点，我查阅了相关专业文献，确实存在这样的研究。虽然这是一个普遍认可的科学共识，但为了证明其有效性，我仍需提供确凿的研究证据。例如，山东建筑大学刘婷硕士的学位论文，她研究了臭氧微气泡降解有机物的污染过程，其原理和结果都阐述得非常清晰。研究结果表明，臭氧微气泡在饮用水处理中非常有效，而在核工业领域同样具有显著的应用价值。基于我在核工业领域的实际应用经验，我认为有必要在水务领域对臭氧微气泡进行更长期的性能验证。下面这个研究探讨了臭氧微气泡化技术在去除典型嗅味物质方面的应用。研究结果表明，将臭氧微气泡化技术与活性炭相结合，对于去除GSM和2-MIB具有显著效果，并且该组合技术对这两种污染物具有较强的抗冲击能力。在系统运行过程中，去除效率与臭氧浓度呈正相关关系。若在臭氧浓度适宜的基础上，适度延长炭床的停留时间，能够进一步提升饮用水中这两种常见污染物的去除率。这是已经公开发表的研究结果，其采用的臭氧微气泡发生器为常规设备。
以下内容摘自《工业水处理》2023年公开发表的一篇文献，该文献探讨了臭氧微气泡技术与水厂水处理强化气浮技术的结合应用及其效果。研究结果表明，通过将臭氧微气化，当气泡直径控制在43至55微米范围内时，相较于传统微孔曝气技术，其气泡尺寸显著减小。传统微孔膜的气泡尺寸通常较小，但具体数值不详，而传统微孔膜产生的臭氧气泡尺寸大约在550至700微米。缩小臭氧微气泡尺寸后，其吸收率显著提升，分别增加了41.9%和46.2%。此外，通过对比两种工艺，即臭氧微气泡技术与传统气泡技术，发现前者在去除藻细胞、浊度、UV254方面均有提升，且与传统工艺相比，去除率有显著改善。
核工业第八研究所关注的微气泡技术
关于研究进展，我们的工作是基于实际需求展开的。在特定的应用场景中，我们不仅仅使用微气泡，我们还利用微气泡发生装置来模拟不利环境，以此优化特殊场景下的设计。此外，在特定行业的废水处理方面，由于我们采用臭氧工艺，我们致力于减小臭氧气泡的尺寸，以增强氧化效率。因此，我们开发了微气泡发生装置。
目前，由于我们的需求极为特殊，我们寻求的微气泡装置必须具备耐辐射、耐强酸强碱、低能耗、高产气量、微小气泡直径，并能在高温高压环境下稳定连续运行。同时，设备设计需简洁轻便，以满足减量化的需求。
鉴于上述要求，我们团队启动了一项创新基金项目，该项目由本人负责。我们研发了原理样机，并选用了高过滤精度的特种膜材料。我们采用了多种材质的膜材料，包括金属、非金属以及金属与非金属的复合材料。由于有机材料不适用，我们最终制成了5款满足核工业标准的原理样机。在哈尔滨工程大学，我们对这些样机进行了测试，使用了-17℃的氮气来检验装置的低压耐受能力。测试结果表明，该装置性能稳定，微气泡尺寸小于50微米，且产气量相当可观。在大约半小时的测试中，一瓶从-17℃低温库中取出的氮气迅速被消耗完毕。尽管设备较为简陋，许多参数未能及时测量，但原理样机基本上满足了核工业特殊应用场景的需求。目前，该项目已经正式立项。这是我们原理样机的关键参数介绍。其工作气压极低，仅需50千帕，即可实现每分钟每平方米产气量超过200毫升。在纯水体系中，微气泡的直径可控制在100微米以下；而在甘油体系中，直径更是可降至50微米以下。通过与哈尔滨工程大学的紧密合作，我们正致力于调整特殊体系，以期达到微气泡直径约10纳米的水平。尽管如此，我们仍在不懈努力中。
接下来，我们与高等教育机构展开了合作，该合作项目由本人主导。我们设计了一种创新的同心圆三通进气装置。该装置采用圆形设计，并设有三个进口分支，不同圆周位置的进气量各异，相应的膜管排布也有所不同，这一设计既富有趣味性又极具吸引力。该装置的投影面积为0.4平方米，支持等面积放大。其微气泡产气量不低于每分钟每平方米240L，这一指标远超我们的预期目标。
我们已经成功制造出该装置，并需进行验证。在核工业规模化应用中，我们必须确保四个方面的验证无一缺失。首先，需验证装置的长期运行稳定性；其次，要经受极端运营条件的考验，包括之前提到的在-17度的氮气环境下进行的测试和通过耐辐照性测试。我们将装置置于辐照箱中，尽可能增加剂量，这对我们的技术团队而言并非难事。第三，需完成长期的冷试试验；最后，进行热试效能评估。在此，我将为大家普及相关知识。在核工业领域，我们把不含放射性物质的实验环境称为冷试，而含有放射性核素的实验环境则称为热试。因此，若我们的装置要在核工业中使用，尽管前期评估已表明其具备可行性，但若要规模化应用并进行工程化，必须满足这四个条件。这正是我们今日讨论的重点。
前述的耐辐照性能问题，我们有能力解决。然而，长期的冷试验问题则不在我们解决的范畴之内。同样，热试验的效能问题我们亦能妥善处理。因此，接下来，我们关注的第四项议题是寻求合作伙伴，以协助我们对这些装置进行长期的冷态运行稳定性评估。若存在任何问题，请直接告知我们，以便我们能够了解实际情况并作出相应的改进。同时，我们也期待合作伙伴能够提出建设性的意见，帮助我们进一步提升产品质量。我们寻求的是能够坦诚告知问题所在的合作方，这正是我们今天聚集于此的目的。接下来，我们将探讨如何寻找能够帮助我们进行长期冷试验验证的合作伙伴。
我们的目标是实现成果共享，追求合作共赢，寻找志同道合的合作伙伴，他们应当具备积极进取的态度、勇于承担责任、拥有充足的信心，并且能够实现共赢。例如，我们致力于将产品推向核工业领域，毕竟这是我们专业所在，我们必须满足自身的需求。然而，我们也深知，该产品同样适用于其他领域，比如其起源于化工领域，不仅适用于核工业，在核工业使用后，其他领域同样可以受益。
若有人认为我们的产品同样适用于高品质水处理领域，并愿意共同探讨，欢迎与我们联系，共同研究如何推进长期的冷试验证。此外，关于膜材料的性能提升、设备设计优化以及工程应用推广，都是我们核工业愿意承担的任务。而我们期望合作伙伴能够承担起产品在比如高品质饮用水处理行业中的长期冷试运行的评价和领域的推广应用。如前所述，我们希望合作伙伴在应用我们的设备时，能够指出设备存在的不足之处，帮助我们进一步评价设备的真实性能。一旦问题得到解决，如果合作伙伴认为可以在其领域内推广应用，这对我们而言是锦上添花，乐观其成。
接下来是关于信心的讨论。任何技术都不可能一经问世就完美无缺，能够解决所有问题。在冷试试验过程中，可能会遇到一些挑战，但我们不应畏惧。我们对自己、对合作伙伴以及对整个团队都应充满信心。基于实事求是的原则和目标导向，我们将坚持不懈地完成任务。接下来是关于共赢的讨论。我们核工业所属于科研院所，而非高校，因此我们能够与合作伙伴共享知识产权。鉴于我们致力于核工业的发展，资金问题不是我们关注的焦点，我们更关注的是解决问题。因此，我们愿意将部分利润回馈给科研工作。
基于这样的态度，我们也希望我们的合作伙伴能够展现出共赢的精神。最重要的是，我们应共同努力，确保项目的成功。
