微氣泡發生器的研究與應用進展

翟霖曉，崔怡洲，李成祥，石孝剛，高金森，藍興英

（中國石油大學（北京）重質油全國重點實驗室，北京 102249）

氣液兩相體系普遍存在于化工、制藥、食品和環境等領域，氣液相之間的接觸面積和接觸時間是限制氣液兩相體系工業應用的兩個關鍵因素。2017年，ISO將直徑介于1～100μm的氣泡定義為微氣泡[1]。目前普遍將尺寸1～1000μm 以內的氣泡統稱為微氣泡。相較于常規的毫米或厘米級氣泡，微氣泡具有更高的穩定性、更長的停留時間、更大的比表面積和更快的氣體溶解速度。得利于這些特性，微氣泡技術得到了人們的廣泛關注。20 世紀70 年代，Sebba[2]就對微氣泡工業應用潛力進行了分析，在后續的幾十年里，科研領域對于微氣泡在工業中的應用研究不斷深入；80 年代時，溶氣氣浮技術已經能夠生成尺寸為10～120μm 的微氣泡，并在水處理領域得到了應用[3]；90 年代時，Kaster等[4]成功將微氣泡技術應用于酵母發酵過程中；90年代中期，我國研制的旋流微氣泡浮選柱投入工業生產[5]；進入21世紀以來，隨著對于化工過程更加高效、集成化的需求，微氣泡強化氣液傳質的優勢逐漸受到關注，微氣泡強化技術在化工過程領域中的應用也逐漸發展起來[6-7]。

目前微氣泡技術在水處理[8]、礦物浮選[9]、化工[7]、醫學[10]和生物研究[11]等領域已經實現了一定的應用。在對微氣泡的應用過程中，微氣泡尺寸和微氣泡體系的氣含率是影響微氣泡工業強化效果的關鍵。為了更加高效、可控地制備微氣泡，多年來，研究者們對微氣泡的制備方法進行了深入研究，研發了多種微氣泡發生器，其中包括文丘里管式[12]、旋流式[13]、溶氣-釋氣式[14]、射流式[15]、電解式[16]、超聲/聲壓式[17]、多孔陶瓷膜式[18]、多孔玻璃膜（SPG膜）式[19]和耦合式[20]等多種類型。

表1總結了各工業應用過程中幾種常用的微氣泡發生器。水處理過程中一方面要求微氣泡尺寸要足夠小，利用小尺寸的微氣泡在破裂時產生具有超高氧化還原電位的羥基自由基的特性，降解難以氧化分解的污染物，同時也能加快氧氣的溶解速度。另一方面，要盡量避免微氣泡產生過程中新物質的引入和高剪切力對溶液中絮凝體的破壞。溶氣-釋氣式、微孔曝氣式和電解式微氣泡發生器既能產生尺寸較小、氣含率較高的微氣泡，同時能夠避免新物質的引入和高剪切作用力的出現。耦合生物反應器中要盡可能增加相界面積以提高氣相傳質速率，因此需要有較高的氣含率，而氣泡尺寸盡量小即可，但需要嚴格注意的是避免高剪切力和高壓環境對微生物造成的破壞。攪拌式和噴射器陣列式微氣泡發生器有適度的剪切力且不依賴高壓環境，能產生尺寸較小、氣含率較高的微氣泡群，更加適合于耦合生物反應器過程。礦物浮選過程中對微氣泡尺寸的要求相對較低，主要利用的是氣泡與礦物顆粒之間的碰撞和黏附作用，尺寸分布較大的微氣泡群更加適合于礦物浮選過程，小氣泡能夠增加氣泡與顆粒之間的碰撞概率，大氣泡帶動小氣泡移動，加強浮選效果。射流式和微孔曝氣式微氣泡發生器既能滿足礦物浮選過程對氣泡尺寸的需求，又能滿足氣泡數量的需求?；み^程主要利用的是微氣泡的強化傳質效果，需要兼顧氣泡尺寸和氣含率，盡可能提高氣液相界面積。文丘里管式、超聲/聲壓式和微孔曝氣式這三種發生器能夠產生尺寸較小和氣含率較高的微氣泡，在化工過程中發揮重要作用。綜上所述，不同領域的工業應用需要根據需求選擇合適的微氣泡發生器，以獲得最佳的微氣泡強化效果。本文對水處理過程、耦合生物反應器、礦物浮選過程和化工過程中常用的微氣泡發生器及其性能影響因素進行了綜述。

表1 各領域常用微氣泡發生器類型及其對應的氣泡尺寸和氣含率范圍

1 水處理過程

微氣泡技術是強化廢水處理的有效手段之一，微氣泡強化技術主要應用于以下四種污水處理方法：活性污泥法、生物膜法、絮凝法和電解法。在活性污泥法和生物膜法中微氣泡的作用是增加氧氣在水中的溶解量，強化好氧微生物處理污水的效率；絮凝法中微氣泡能夠強化吸附污水中的絮凝團，并將絮凝團帶到水面上，從而起到強化凈水的作用；電解法的原理是通過電解水過程產生強氧化性氣體對污水中的有機物進行氧化處理，同時電解產生的微氣泡能夠吸附懸浮在水中的顆粒物，進一步增強污水處理效果。

水處理過程要求微氣泡尺寸較小且分布均勻從而加強氧氣的曝氣作用，同時又要避免微氣泡產生過程中高剪切力造成的絮凝團破壞，影響水處理效果。目前在水處理工業主要使用三種微氣泡發生器來產生微氣泡，即溶氣-釋氣式[22]、微孔曝氣式[23]和電解式[24]微氣泡發生器，而旋流式[32]微氣泡發生器在水處理領域也有一定的應用研究。

1.1 溶氣-釋氣式

溶氣-釋氣法是產生大量且尺寸均勻微氣泡的有效方法之一，相比于其他微氣泡發生器，溶氣-釋氣式微氣泡發生器對于水處理過程中增強氧氣的曝氣作用具有一定的優越性。溶氣-釋氣式微氣泡發生器原理如圖1所示，這類發生器是將氣體在高壓條件下溶解于液相當中形成氣相的過飽和溶液，在經過發生器出口噴嘴時，過飽和溶液中的氣相因為壓力降低會以微氣泡的形式析出。

圖1 溶氣-釋氣式微氣泡發生器[7]

氣體的溶解量和噴嘴結構是影響溶氣-釋氣法產生微氣泡效果的兩個重要因素。氣體的溶解量主要影響產生微氣泡的數量和直徑，Maeda 等[14]研究發現溶氣-釋氣法產生的微氣泡數量和微氣泡直徑隨溶解氣體濃度的增加而增加。噴嘴結構則會影響空化作用，進而改變微氣泡的尺寸，Kim 等[33]將噴嘴結構改為破碎盤式噴嘴出口，在氣體通過噴嘴產生微氣泡后，微氣泡與破碎盤碰撞，進一步減小了微氣泡的尺寸。Yamashita 等[34]使用多孔陶瓷膜作為加壓容器的噴嘴，與未改進的情況相比，微氣泡的數量提升了39%。

目前溶氣-釋氣法在工業廢水處理和含油污水處理過程中應用占比較大，李軍令[35]改進的原油脫鹽工藝，將離心技術和溶氣-釋氣式微氣泡發生器結合能夠產生粒徑分布為5～30μm的微氣泡，原油除油率和除渣率分別可以達到73.60%和71.66%，化學需氧量（COD）能夠降低32.7%。但是溶氣-釋氣法產生微氣泡的過程能耗較大、微氣泡體系氣含率較低，同時存在高壓環境，對設備和管線的承壓能力都有一定的要求。

1.2 微孔曝氣式

近年來隨著多孔膜技術的發展，微孔曝氣式微氣泡發生器在水處理過程中也得到了大量應用。與其他微氣泡生成方式相比，多孔膜結構簡單、設備要求低。根據氣泡形成的動力學原理，在多孔膜表面微氣泡形成和釋放的力主要包括將微氣泡保持在孔隙的表面張力、微氣泡的浮力以及作用在微氣泡頂部的氣相慣性力，當浮力和慣性力克服表面張力時，微氣泡從膜表面脫落。

多孔膜制備微氣泡的優點主要是可以通過控制多孔膜的膜孔徑來控制生成微氣泡的尺寸，Melich等[36]研究表明隨著膜孔徑的減小，生成的微氣泡尺寸減小、尺寸分布增加。膜材料的種類也是影響微氣泡尺寸的因素之一，SPG膜和陶瓷膜是生成微氣泡的兩種常用多孔膜材料，Kukizaki[37]對比了SPG膜和陶瓷膜生成微氣泡的尺寸，發現利用陶瓷膜生成的微氣泡尺寸大于使用SPG 膜產生的微氣泡尺寸。

由于膜孔之間的距離無法精確控制，孔隙排列太緊密會導致相鄰氣泡之間的聚并，Kukizaki 等[38]發現表面活性劑的加入可以有效抑制微氣泡的聚并，同時在十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和Tween 20 兩種表面活性劑存在下產生了平均直徑分別為35.6μm和43.0μm的微氣泡。此外還有流體振蕩[39-40]和液相剪切[18,28]兩種方式來抑制微氣泡的聚并，減小微孔膜產生的微氣泡尺寸，其中液相剪切是減小微氣泡尺寸最常用的方式。

液相剪切是通過較高流速的液流剪切膜上正在生成的氣泡，通過提供足夠的慣性力來使氣泡脫離膜表面[28]，其過程如圖2所示，液相剪切由于操作簡單，被廣泛應用于多孔膜微氣泡生成過程中。為了進一步增強作用在膜表面的液相剪切力，Xie等[18]通過在膜組件中插入螺旋內構件的方式，進一步增加了迪恩渦的產生，在最佳實驗條件下連續制備了直徑為64～87μm的微氣泡。

圖2 基于液相剪切流動的陶瓷膜式微氣泡發生器

Liu 等[41]采用SPG 膜生成微氣泡，促進了廢水處理中好氧生物的生長，在穩定條件下SPG膜基于面積的COD 去除能力能夠控制在6.69kg/(m2·d)。Zhang 等[42]研究發現，在最優條件下，使用SPG 膜生成微氣泡處理合成城市廢水時，COD 和氨去除效率分別為91.7%和53.9%。

但是在污水處理過程中，膜孔道容易堵塞，需要經常更換或清洗多孔膜結構，因此多孔膜結構在水處理過程的應用中也存在一定的局限性。

1.3 電解式

電解法能夠產生尺寸分布范圍較窄的微氣泡群，作為一種簡單、綠色的微氣泡生成方法，電解法制備微氣泡是強化水處理效果的一條重要途徑。電解法強化污水處理過程主要體現在兩個方面：一方面，電解廢水的過程中電極表面會生成氧氣、氯氣等強氧化性氣體，對水中的有機物質進行氧化分解；另一方面是電解產生的金屬離子能夠吸收水中的懸浮顆粒形成絮凝體，在微氣泡的帶動下脫離水體，達到凈化水體的目的。

電解法生成微氣泡的過程分為兩個階段：第一個階段微氣泡在電極表面成核，第二個階段是微氣泡脫離電極表面之后的繼續生長[43]。電解法生成微氣泡的顯著優勢是可以通過控制電流的方式控制微氣泡的生成[44]，Coey 等[45]使用透明鉑陰極電解酸化水時，產生了半徑為2～10μm的微氣泡。

電解質濃度、電極電壓、電流密度和電極形狀等都對電極附近微氣泡的生成有較大的影響。Tanaka等[46]發現微氣泡的聚并受電解質溶液濃度的影響，溶液濃度的增大會抑制微氣泡的聚并現象。Yu 等[47]設計了一種新型的錐形親氧電極，通過高效和定向的運輸，提高了氫微氣泡的產生速率。

電解水產生的微氣泡數量較少、能源消耗較大，同時需要經常清洗電極以保證電解的強度，因此電解法更適用于小規模的水處理過程。

1.4 旋流式

液相旋流式微氣泡發生器是一種高效的微氣泡發生裝置，可以連續不斷產生微氣泡，具有廣闊的工業應用前景，與孔口型微氣泡發生器相比，旋流型微氣泡發生器產生的微氣泡尺寸更小、分布更均勻。目前液相旋流微氣泡發生器主要分為兩類：一是依靠液體加壓后，通過切向入口進入反應器產生旋流；二是通過添加旋流內構件的方式實現旋流效果。

切向旋流微氣泡發生器的結構如圖3所示，液體切向進入發生器后，會在旋流中心產生負壓，負壓作用下氣體可以自動吸入發生器，在高速旋轉液體的剪切和破碎作用下產生微氣泡。Alam等[13]設計的旋流微氣泡發生器在空氣流量為0.25L/min和1L/min時，成功生成了平均半徑為25μm的微氣泡。

圖3 切向旋流式微氣泡發生器[48]

在反應器內部添加靜態旋流器同樣可以實現產生微氣泡需要的旋流效果，如圖4所示，這種方式是將靜態旋流器固定在反應器內壁上，從旋流器的中心注入氣體，旋流器產生的旋流與氣柱碰撞，在高剪切力下產生微氣泡。Kim 等[32]通過添加內構件的方式生成了尺寸良好的微氣泡，并通過對比發現，使用旋流式微氣泡發生器時，其直接接觸膜蒸餾體系的性能更加顯著，水蒸氣的滲透通量提高了37%。

圖4 添加內構件型旋流式微氣泡發生器[32]

旋流式微氣泡發生器的氣泡產生效果與液體流量（QL）、氣體流量（QG）以及發生器的幾何構造有重要的關系。通常情況下，液體流量越大、氣體流量越小會產生平均直徑越小的微氣泡，Xu 等[49]的研究表明，對于一個特定的旋流微氣泡發生器，存在一個最優的出口直徑，產生所需微氣泡直徑同時也可以減少能源消耗。

在實際應用過程中，為了達到較好的氣泡破碎效果，旋流式發生器內部存在較高的液相剪切力，會破壞水處理過程中產生的絮凝體，因此旋流式微氣泡發生器主要作用于增強水處理過程中的曝氣過程。

2 生物和醫學

微氣泡在生物反應器中的作用主要是增強曝氣效果，加快微生物的生長繁殖、增加產物量。Zhang 等[25]成功利用攪拌式微氣泡發生器促進畢赤酵母發酵生產人血清白蛋白；隨著多孔膜技術的發展，多孔膜技術在生物反應器中得到了應用，宋艷梅[50]使用膜片式微孔曝氣器生成二氧化碳微氣泡，強化了微藻的固碳作用；Zimmerman 等[51]將振蕩射流式微氣泡發生器應用于氣升式循環生物反應器，減少了多孔膜式微氣泡發生器氣泡聚并問題的發生。生物反應器要求微氣泡發生器有適度剪切力、良好的微氣泡發生效果和較低的能耗水平，常見的發生器類型主要有機械攪拌式、振蕩射流式和噴射器陣列式三種類型。

微氣泡技術在超聲造影劑[52]、藥物運輸介質[53]以及藥物研發[54]等醫學領域的作用已經得到了廣泛研究，在醫學應用過程中，藥物和氧氣輸送的理想氣泡尺寸一般<10μm[55]。微流控技術能夠連續產生尺寸可控、高分散性的微氣泡，是生產應用于醫學領域微氣泡的理想技術[56]。

2.1 機械攪拌式

機械攪拌式微氣泡發生器主要依靠電機帶動旋轉轉盤，通過旋轉產生的剪切力將大氣泡破碎成小氣泡。Zhang等[25]和Weber等[57]在研究中使用了機械攪拌（其結構如圖5所示）的方式產生微氣泡用于微生物的培養，他們的裝置由一個通過軸承支撐軸與高速電機相連的不銹鋼圓盤組成。當圓盤以4000r/min 旋轉時，能夠形成局部剪切區，氣體被泵入剪切區，可以產生尺寸分布范圍為20～1000μm微氣泡，根據Weber 等[57]的研究，與常規氣泡相比，在通過機械攪拌產生微氣泡的方式強化里氏木霉微氣泡發酵生產纖維素酶的過程中，傳質系數提高了5倍，細胞質量生產力提高了近2倍。機械攪拌式微氣泡發生器耦合生物反應器需要控制適當的剪切力以避免對微生物造成破壞。

圖5 攪拌式微氣泡發生器[25]

2.2 振蕩射流式

振蕩射流是減小多孔膜表面微氣泡聚并的有效方式之一，由于膜孔之間的距離無法精確控制，孔隙排列太緊密會導致相鄰氣泡之間的合并，在生成微氣泡時發生氣泡聚并的現象。流體振蕩通過采用流體振蕩器（圖6）使氣相產生壓力波動，氣泡在振蕩氣流的慣性力作用下從孔隙中噴出，減小了微氣泡之間的聚并，產生數量更多、尺寸更小的微氣泡。Rehman 等[58]使用振蕩射流式微氣泡發生器在液相流量為40～100L/min 的條件下，生成的微氣泡尺寸大部分分布在80～120μm 之間。Zimmerman等[51]在氣升式循環生物反應器中加入振蕩射流式微氣泡發生器，測試了鋼鐵廠廢氣中生長微藻的可行性，結果表明，藻類生物量穩定增長，存活率達到了100%。Hanotu 等[59]使用配有流體振蕩器的氣升式生物反應器培養酵母，在微氣泡鼓泡條件下，酵母細胞產量達到了0.31mg/h，6h后的平均生長產量增加了18%。

圖6 流體振蕩器結構[58]

2.3 噴射器陣列式

噴射器陣列式的微氣泡發生器，其結構如圖7所示，該裝置首先通過八爪型分布器產生5～7mm的氣泡，大氣泡具有較大的終端速度，會逆著液相流動方向向上運動。發生器的頂部裝有孔徑較小的篩板，液相通過小孔后會產生強勁的射流，將上升的大氣泡擊碎，形成微氣泡，由于微氣泡的終端速度較小，在液相的攜帶作用下從反應器底部流出。Turney等[15]利用射流陣列式結構生成了氣泡尺寸為230～600μm的微氣泡、氣含率為35%～55%，該微氣泡發生器的傳質系數（kLa）達到了0.83s-1。Hernandez-Alvarado 等[61]設計的射流式微氣泡發生器可以產生氣泡尺寸在500～900μm 的微氣泡，氣含率可以達到10%～60%。

圖7 噴射器陣列式[60]

2.4 微流控技術

與傳統微氣泡產生方式相比，微流控裝置是產生穩定單分散微氣泡的有效手段。微流控裝置生成微氣泡的結構主要包括三種，即T型流、流動聚焦和共軸流，其結構如圖8所示。

圖8 微流控技術[63]

T 型結構微氣泡的形成機理主要分為三類。①無限破裂機制：氣泡的形成主要受液相的局部剪切應力控制。②限制破裂機制：由氣體堵塞引起的液相堵塞，使得液相上游壓力增加，對氣相進行擠壓破碎，形成微氣泡。③部分破裂機制：氣體被通道部分限流，破碎過程受擠壓壓力和剪切力共同作用。流動聚焦過程中氣相受到通道壁面和液相的共同作用，導致氣體流線隨時間線性坍塌，在坍塌過程中形成微氣泡。在共軸流中，氣體在液流中通過微米噴嘴注入，液流與噴嘴平行流動，在液體流動施加的黏性應力作用下，與噴嘴相適應的氣泡在噴嘴后方形成，氣體可以在微通道中進行拉伸和壓縮[62]。無論何種微流控裝置，微氣泡的形成都是由于氣液界面的不穩定性引起的。

微通道內氣泡的形成和破裂主要受到氣液流速、微通道結構、流體表面張力、黏度和流變性能等物性參數的影響[63]。微流控技術生成的微氣泡直徑可以通過輸入流量和壓力條件來控制[64]，Jiang等[65]使用流動聚焦方法，通過調節氣體壓力和液體流速生成了尺寸在2～7μm 的微氣泡；相關研究表明通過微流控技術和電場相結合的方式可以顯著減小微氣泡的尺寸[66-67]。

隨著微流控技術的發展，階梯乳化微流控方法[68]作為一種新興的微氣泡生成方法得到了研究者的關注。階梯乳化微流控方法的原理是依靠微裝置的空間限制，在分散相前后兩端形成速度差，從而使分散相能夠實現自發的掐斷過程，而不再依賴于連續相的剪切和擠壓作用。

3 礦物浮選

礦物浮選是一種利用氣泡和顆粒界面性質差異實現不同價值礦物分離的復雜物理化學過程，其主要過程是通過顆粒與氣泡之間的碰撞、黏附實現的。在礦物浮選的過程中，通過加入微氣泡的方式增加氣泡與目標礦物之間的碰撞與黏附作用，能夠起到強化浮選效果的作用。在礦物浮選過程中主要選擇射流式微氣泡發生器來產生微氣泡，文獻中也有關于微孔曝氣式微氣泡發生器用于礦物浮選過程的報道[28]。

射流微氣泡發生器結構簡單、操作方便，微氣泡的生成效果理想，能夠很好地耦合浮選設備，射流微氣泡發生器主要由噴嘴、吸入室、進氣管、喉管和擴散管組成，其結構如圖9所示。射流微氣泡發生器的基本原理是：加壓液體通過噴嘴噴入后形成高速射流，在氣室中形成負壓，空氣被吸入后與液體射流混合，氣體在喉管的高湍流環境下被破碎成微氣泡。射流微氣泡發生器可以生成較高氣含率的微氣泡體系，Tian等[70]探究了不同操作參數條件下氣含率的變化，發現在液體流量為2.799m3/h、氣體流量為0.554L/s 的條件下，氣含率可以達到27.36%，而氣泡直徑分布在370μm左右。

圖9 射流式微氣泡發生器[69]

喉管長度是影響射流微氣泡發生器性能的主要因素，惠恒雷等[71]分析了微氣泡在不同喉嘴距條件下的尺寸變化情況，最終確定了射流微氣泡發生器的最優喉嘴距范圍為1～2倍的噴嘴出口直徑長度。

礦物浮選過程中氣泡尺寸是影響浮選效果最重要的因素，同時為了保證較好的浮選效果，微氣泡浮選過程不適合在強湍流條件下進行，這一條件也限制了浮選過程中對于微氣泡發生器的選擇。射流微氣泡浮選柱[26]和旋流-靜態微氣泡浮選柱[72]因其優異的浮選效果，成為礦物浮選過程中常用的兩種浮選設備，這兩種設備都采用了射流結構來生成微氣泡。艾光華等[73]使用旋流-靜態浮選柱回收微細粒黑鎢礦，與傳統浮選機相比，獲得的精礦質量分數能夠提高10.43%，回收率能夠提高2.15%。秦華江等[74]采用旋流-靜態浮選柱回收尾礦中的鉬元素，能夠獲得鉬品位31.096%，回收率62.71%的鉬精礦產品。

4 化工過程

目前對于微氣泡強化傳質過程已經有了大量研究。魯志強等[75]的研究表明微氣泡能夠加速鼓泡塔內氣液相之間的傳質速率；田洪舟等[76]發現在微氣泡存在下，漿態床中氫氣的傳質速率提升了20～50倍；吳夢思等[77]通過模擬計算了尺寸為5mm的常規氣泡和尺寸為500μm 的微氣泡在柴油加氫過程中的傳質效果，通過對比發現，當氣泡尺寸減小到500μm 時，體積傳質系數增加了約29 倍，產品硫含量大幅度降低；Janajreh 等[30]利用超聲/聲壓法產生微氣泡加快了酯交換過程，促進生物柴油的生產；張志炳教授團隊[78-80]對微氣泡強化化工過程進行了探索，針對不同工業體系，提出了一系列微氣泡發生方式和微氣泡調控方法；張曉國等[81]報道了選擇性管式液相加氫（FITS）技術生產噴氣燃料工藝，利用氫氣微氣泡不斷補充反應液相中的溶解氫，該項技術具有流程簡單、氫耗低及能耗低等特點，產品中堿氮脫除率達到了50%，硫醇硫脫除達到了94%，脫酸率達到了99%；謝清峰等[82]報道的FITS 技術，其在進行重整油加氫脫烯烴工藝時，實現了生產裝置的長周期運行，全餾分重整生成油的溴指數小于300mg/100g，二甲苯的溴指數小于10mg/100g，顯示了微氣泡良好的強化傳質性能。此外，微孔曝氣式微氣泡發生器在間甲基苯甲酸合成研究中也得到了應用[31]。在化工方向應用的報道中，文丘里管式和超聲/聲壓式是兩類常見的已公開的發生器類型。

4.1 文丘里管式

文丘里管式微氣泡發生器主要由收縮段、喉管和發散段三部分組成，其結構如圖10 所示。該類發生器在喉管位置處液體流速增加，導致壓力減小，氣體通過自吸效應進入發生器，隨后氣相在液相的帶動下進入到發散段，隨著液體流速減小、壓力回升，在液相的剪切破碎作用下產生微氣泡。Feng等[84]設計的文丘里管式微氣泡發生器能夠產生平均直徑為230～600μm的氣泡。

圖10 文丘里管式微氣泡發生器[83]

文丘里管式微氣泡發生器的幾何結構對微氣泡的生成效果具有重要影響，研究表明文丘里管的發散角度是影響微氣泡發生性能最重要的因素。Li等[83]考察了文丘里管的注氣孔直徑、注氣孔數以及發散角三個參數對微氣泡尺寸的影響，發現注氣孔的直徑和數量只影響初始氣泡尺寸，而發散角對最終生成的微氣泡尺寸影響最明顯。此外，氣體的進氣方式對微氣泡尺寸也有一定的影響。曹俊雅等[85]研究了錯流、并流和逆流三種進氣方式，實驗結果表明并流進氣方式下氣泡脫離時間更短，生成的微氣泡尺寸更??；丁國棟等[86]和顏攀等[87]研究了注氣孔位置對微氣泡生成的影響，發現當注氣孔在喉管位置時產生的微氣泡尺寸最小，但是當注氣孔位于進水管上游位置時，微氣泡的生成效率更高。

根據文丘里管式微氣泡發生器的原理，相關研究者設計了結構更加緊湊的Sadatomi式微氣泡發生器和孔口型微氣泡發生器，其結構分別如圖11 和圖12 所示。在液體流量為25L/min、氣體流量為0.24L/min的條件下，Sadatomi式微氣泡發生器可以產生直徑為120μm 的微氣泡[88]；在氣體流量為0.1L/min、液體流量為0.6L/min 時，孔口型微氣泡發生器能夠生成氣泡直徑集中在200μm 附近的氣泡群[89]。

圖11 Sadatomi式微氣泡發生器[88]

圖12 孔口型微氣泡發生器[89]

陳強等[90]設計了一種強化鼓泡床加氫反應器氣液傳質的裝置，采用文丘里管式微氣泡發生器產生微氣泡，顯著降低了裝置的操作壓力，提高了加氫過程中氣液固之間的傳質效率。王喜彬等[91]使用文丘里管式微氣泡發生器提高了懸浮床加氫效率，通過對比發現，使用文丘里管式微氣泡發生器的條件下反應總壓減小了3MPa，輕油收率（質量分數）增加了2%，甲苯不溶物的質量分數降低了1.09%。李方[92]設計了一種含有文丘里管式微氣泡發生器的懸浮床加氫裝置，該裝置能夠提高輕油收率（質量分數）2%～5%，同時顯著降低甲苯不溶物的產率。

4.2 超聲/聲壓式

生物柴油作為一種替代能源得到了研究者們的廣泛關注，但是目前生物柴油的生產仍然面臨許多困難，其中酯交換過程是影響生物柴油生產的關鍵步驟，為了能夠加快酯交換的過程，提高生物柴油的生產效率，相關學者提出利用超聲法產生微氣泡以加快酯交換反應過程[30]。超聲波產生微氣泡的原理有空化假說和毛細管假說兩種?？栈僬f認為當超聲波作用于液體時，液體內出現局部拉應力而形成負壓，壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，從液體逸出，形成小氣泡；毛細管假說認為，空化是由超聲場中的毛細管波的破碎而發生的?？栈僬f常應用于高頻區（>100kHz），而毛細管假說則應用于低頻區（<100kHz）。Makuta 等[93]在超聲頻率為18.77kHz 的條件下，產生了直徑均勻的12μm 微氣泡。超聲/聲壓法可以產生氣泡尺寸較小、分布較窄的微氣泡群，但是該方法產生微氣泡數量較少、設備成本較高、能耗較大。

微氣泡強化傳質最突出的優勢在于可以提高氣液相界面積進而提升體積傳質系數kLa，相界面積與氣泡尺寸、氣含率有關。表2總結了傳質強化相關研究中氣泡尺寸、氣含率范圍和能達到的最大體積傳質系數。從表2可以看出，若將氣泡尺寸嚴格控制在100μm 范圍內則很難達到較高的氣含率（因為通常是在較低的氣液比下才能穩定產生微氣泡），而當氣泡尺寸不局限于微氣泡所定義的尺寸（1～100μm）時，可以通過適當增大氣液比來提高氣含率，此時能達到更大的氣液相界面積，進一步提高體積傳質系數。因此將微氣泡技術應用于強化傳質過程中時，需要兼顧氣泡尺寸和氣含率對傳質速率的影響。

表2 傳質強化效果相關研究總結

此外，化工過程所使用的微氣泡發生器還要充分考慮實際應用環境，如含微孔結構的微氣泡發生方式不適用于含有固體雜質或易結垢的體系，否則會造成發生器堵塞問題，降低設備運行周期；另外，還需要綜合考慮微氣泡發生器自身的能耗，需要在發生器引入的能耗和傳質強化帶來的收益之間達到平衡。綜上，結構簡單、性能穩定的微氣泡發生器更加適用于條件苛刻的化工過程。

5 適用于多領域的耦合式微氣泡發生器

單一的微氣泡生成方式很難產生尺寸均勻、分布范圍較小的微氣泡群，或者難以在較寬的操作范圍內保持穩定的性能，將多種微氣泡生成方式的優點結合起來的耦合式微氣泡發生器是當下微氣泡發生器的重要研究方向之一。傳統文丘里管式微氣泡發生器生成的微氣泡尺寸較大、氣含率較低，但是文丘里管的結構簡單，容易與其他方式相結合，因此被大量應用于耦合式微氣泡發生器的開發中。此外，還有機械攪拌和溶氣-釋氣法相結合[97]以及超聲法和微流控技術相結合[98]的耦合式微氣泡發生器。

Wang 等[99]設計了旋流式與文丘里管式相結合的微氣泡發生器，如圖13 所示。從氣泡生成效率和傳質效率兩個方面對傳統文丘里管式微氣泡發生器和新型旋流文丘里管式微氣泡發生器進行了比較，發現在相同的實驗條件下，新型旋流文丘里管式微氣泡發生器可以生成比傳統文丘里管式微氣泡發生器尺寸更小的微氣泡，體積傳質系數也大于傳統的文丘里管式微氣泡發生器。

圖13 旋流-文丘里管式微氣泡發生器[99]

丁國棟等[100]將微孔布氣結構、液相旋流和文丘里結構三種技術結合，設計了一種軸向旋流式氣泡發生器，如圖14 所示。與常規文丘里管式微氣泡發生器對比，該發生器喉管處的表觀液速明顯增大，徑向速度梯度、湍動能和湍流耗散率更高，即氣泡受到的剪切破碎作用更強，產生的氣泡尺寸更小。

圖14 軸向旋流式微氣泡發生器[100]

6 結語與展望

本文主要介紹了微氣泡強化技術在化工、水處理、浮選過程和生物反應器中的應用，總結了近年來微氣泡發生器的研究進展。微氣泡發生器的種類繁多，各種發生器的氣泡生成原理也有所不同，且影響微氣泡尺寸的因素眾多，因此在工業應用過程中要根據具體使用環境和生產需求，選擇合適的微氣泡發生器以達到最優的強化效果。

（1）在水處理過程中，溶氣-釋氣式、微孔曝氣式、電解式和旋流式微氣泡發生器產生的微氣泡尺寸相對較小，但是溶氣-釋氣式產生的微氣泡體系氣含率較低；微孔曝氣式要考慮膜組件使用壽命問題，需要不斷更換多孔膜，以保證水處理效率；電解過程產生微氣泡能耗較高；旋流式微氣泡發生器在某些含有絮凝體的水處理過程中不適用。

（2）在耦合生物反應器過程中，機械攪拌式、噴射器陣列式和振蕩射流式微氣泡發生器具有低剪切力、低能耗、高氣泡生成率的特點，在耦合生物反應器方面已經得到了大量的研究應用，研發具有更低剪切力的微氣泡發生器對于提升生物反應器的生產效果具有重要意義。

（3）在浮選過程中，射流式微氣泡發生器結構簡單、設備成本低，已經廣泛應用于射流微氣泡浮選柱和旋流-靜態微氣泡浮選柱設備中。

（4）在化工過程中，結構簡單、微氣泡產生效率高的文丘里管式微氣泡發生器更能適用于多樣的液體環境；超聲/聲壓式微氣泡發生器能夠產生尺寸分布較窄的微氣泡，盡管在實驗室條件下已經驗證了其優異的強化傳質效果，但是在工業應用過程中還需要考慮其設備成本和能耗問題。

（5）結合多種微氣泡發生器優點的耦合式微氣泡發生器，可以彌補單一微氣泡發生裝置的不足，進一步增強微氣泡的生成效果，生成尺寸和分布范圍較小的微氣泡群，相比于單一原理的微氣泡發生器，對于耦合式微氣泡發生器的研究具有更加廣闊的發展前景。

目前，不同應用領域利用微氣泡優勢的側重點以及所受應用條件的限制有所不同，因此不同領域重點利用的微氣泡發生原理也有所不同。在對微氣泡發生器進行優化設計過程中，其應用領域與應用方式是首先需要考慮的重點因素，在此基礎上，不斷提升微氣泡發生器的處理量、可操作的氣液比范圍以及微氣泡產生效率，仍是今后需要重點關注的問題。針對現有微氣泡發生器存在的問題，設計結構更加緊湊、能耗小、生產成本低、氣泡產生效率更高的微氣泡發生器，是微氣泡發生器研究的重要方向。