在 中，核工業第八研究所凈化過濾研發中心副總工程師張平允介紹了“低耗高效臭氧微氣泡發生裝置研制及其高品質飲用水應用展望”。報告指出，臭氧是水處理領域常用的氧化劑之一，然而有限的溶解度限制了其對飲用水中的藻、嗅味等感官指標的控制效果，而低耗高效精密臭氧微氣泡發生裝置的研制有望解決這一問題。

本文根據嘉賓發言內容整理。已經由專家本人審閱。

微氣泡概述

微氣泡的定義，根據ISO標準，其直徑范圍為1至100微米。然而，在水處理領域，1至1000微米的氣泡亦可被視為微氣泡。我們研究所關注的微氣泡目標直徑為1至100微米。微氣泡的發展歷程可以劃分為四個階段，分別對應上世紀的70年代、80年代、90年代以及當前。當前，微氣泡的強化技術在化工領域的發展速度最快，其需求源于化工過程對更高效率和集成化的要求。微氣泡之所以被廣泛采用，是因為它在強化氣液傳質方面具有顯著優勢，這使得它在化工領域的應用極為廣泛，且在所有領域中發展最為迅速。

微氣泡之所以引人注目，源于其獨特的特性，這些特性使其在化工領域占據特殊地位，同樣在核工業領域也備受青睞。微氣泡相較于傳統毫米或厘米級氣泡，展現出更高的穩定性、更持久的停留時間、更大的比表面積以及更快的氣體溶解速率。此外，當氣泡尺寸減小時，微氣泡表現出一些非凡的性能，例如極高的氧氣傳質效率、顯著的界面動電勢，能夠產生自由基離子、自我增壓和溶解。微氣泡在擴散過程中，首先形成氣泡，隨后逐漸在水中溶解，由于其較小的尺寸，溶解過程更為持久。

此外，微氣泡在水中能夠逐漸由大變小，這一特性引起了我們對其應用的濃厚興趣。它還具備收縮性和帶負電荷的性能。不同直徑的微氣泡在水中的上升速度各異。若僅在純水中，其擴散雙電層呈現特定形態；若更換氣體種類，其擴散雙電層亦會經歷微妙的變化，這同樣頗具研究價值。

發生器種類

接下來，關于微氣泡發生器的類型及其應用，需要了解其在水處理領域的廣泛用途和獨特特性。在水處理領域，選擇合適的微氣泡發生器至關重要，以確保獲得最佳的微氣泡強化效果。首先，根據不同的處理需求，我們應遵循基本原則，選取適當的微氣泡發生器。

目前，水處理中常用的微氣泡發生器主要有三種類型。第一種是溶氣-釋氣式發生器，通過高壓溶解氣體后再低壓釋放，從而產生微小氣泡，其尺寸范圍為0至50微米，但氣含率難以精確測量，目前尚無公開數據進行追蹤。第二種是微孔曝氣式發生器，通常采用膜材料，其氣泡尺寸范圍較窄，為10至50微米，氣含率一般在0至30%之間。第三種是電解式發生器，廣泛應用于水處理，其氣泡尺寸約為100微米，操作簡便，僅需通電即可。在水處理過程中，高品質水的處理要求微氣泡尺寸足夠小，以便利用微氣泡破裂時產生的高氧化還原能力的羥基自由基，降解難以氧化分解的物質，并加快氧氣的溶解速率。這里所述的微氣泡主要指空氣或氧氣微氣泡，若以臭氧為氣源，則形成臭氧微氣泡。

在水處理過程中，我們對微氣泡的要求是必須避免在生成微氣泡的過程中引入新的物質，并且要防止高剪切力對溶液中絮凝體的破壞。眾所周知，水處理過程并非孤立存在，而是多種工藝相互耦合。如果微氣泡的引入破壞了絮凝體，那么這樣的微氣泡就不能算是優質的。因此，對于水處理過程中微氣泡發生器的評價，不僅涉及其工作原理，還包括其產生的結果對整個系統的影響。

微氣泡的類型

簡要介紹目前四種主流反應器的類型。首先，我們已經討論過溶氣-釋氣式反應器，其工作原理是先在高壓下溶解氣體，隨后在低壓下釋放。這種反應器的關鍵特性在于氣體的溶解量，需盡可能提高溶解量，并且噴嘴結構必須經過特殊設計，以確保在低壓釋放時，微氣泡的尺寸和分布得到保證。然而，該裝置存在一個缺陷，即能耗相對較高，微氣泡中的氣體含量較低。此外，由于在高壓環境下進行溶解，因此對設備和管線的承壓能力提出了要求。這是該方法的優勢與劣勢。

接下來介紹的是微孔曝氣式，其工作原理基于浮力和慣性力克服表面張力時，類似于生活中吹制肥皂泡的過程，兩者原理極為相似。微孔曝氣技術通過微孔膜產生氣泡，其關鍵在于對微孔膜孔徑和壓力的精確要求。該技術的優勢在于多孔膜結構簡單，設備需求相對較低。然而，其劣勢同樣明顯，即對材料的精度要求極高。若膜孔直徑控制不準確，原本應產生的小氣泡可能會合并成大氣泡，導致整個微氣泡裝置失效。因此，對材料的精確度要求非常高。此外，僅依靠膜和氣壓難以形成穩定的微氣泡，還需結合其他流體震蕩或流體剪切技術，這進一步提高了對設備的要求。精準的材料選擇以及微氣泡生成方式與其他流體震蕩或液體剪切技術的協同作用至關重要。因此，微孔曝氣式技術的一個顯著缺點是容易導致微氣泡聚并，小氣泡合并成大氣泡即意味著裝置的失敗。這是微孔曝氣式發生器的主要優缺點。

第三種方法為電解式，如前所述，其通過電流控制微氣泡的生成。該方法的關鍵因素包括電解質濃度、電極電壓、電流密度以及電極形狀。其產生的微氣泡分布較為集中，若愿意投入成本調整電解質濃度，根據目前的研究，電解式方法能夠獲得微氣泡尺寸分布最窄、最均勻的效果。然而，該方法的缺點同樣顯著：首先，產生的微氣泡數量較少；其次，能源消耗較大；再者，需要定期清洗電極以確保電解效率。因此，電解法更適合于附加值較高、規模較小的水處理過程。

另一種為旋流式，其工作原理基于液體加壓后，通過切向入口導入反應器，并通過內置旋流構件以實現旋流效果。該裝置設計的關鍵因素包括液體和氣體的流量，以及旋流內構件的幾何結構，因此對設計要求相對較高。旋流裝置的微氣泡尺寸極小，且尺寸分布均勻。然而，在實際應用中，為了獲得更佳的氣泡破碎效果，旋流發生器內部通常會產生較高的液相剪切力。若將旋流式微氣泡發生裝置與其他工藝如絮凝工藝結合使用，可能會破壞水處理過程中形成的絮凝體，這是旋流式裝置應用中的一個局限。

臭氧微氣泡的去除機理及其應用研究

這部分內容主要基于現有文獻，稍后我將詳細解釋其原因。首先，臭氧在高品質水處理中具有顯著作用，無論是在原水處理、水廠處理過程，還是在供水系統中，其效用均不容忽視。然而，傳統臭氧應用存在一個重大缺陷，即氣液傳質效率低下，導致臭氧利用率不高，這是一個普遍存在的問題。因此，如何提升臭氧在水中的溶解度和傳輸效率，已成為一個極具挑戰性的研究課題，眾多研究者正致力于此，故在此不再詳述。

然而，關于臭氧微氣泡的研究之所以被提出，是因為現有研究明確表明，它能顯著提升臭氧的利用率和氧化效率。首先，臭氧微氣泡的直徑極小，僅有幾十微米，由于其直徑小，介質接觸面積較大，因此傳質效率較高，停留時間較長。此外，當其破裂時，較大的微氣泡可進一步分裂成更小的微氣泡，從而釋放出更高比率的活性氧化物，表面最大電位也較高，這有助于強化臭氧的傳質過程，減少臭氧的無效分解，進而提高臭氧的利用率。這是臭氧微氣泡的主要優勢所在。此外，當其在水中崩解時，能夠產生羥基自由基，從而增強氧化能力。為了進一步證實這一點，我查閱了相關專業文獻，確實存在這樣的研究。雖然這是一個普遍認可的科學共識，但為了證明其有效性，我仍需提供確鑿的研究證據。例如，山東建筑大學劉婷碩士的學位論文，她研究了臭氧微氣泡降解有機物的污染過程，其原理和結果都闡述得非常清晰。研究結果表明，臭氧微氣泡在飲用水處理中非常有效，而在核工業領域同樣具有顯著的應用價值。基于我在核工業領域的實際應用經驗，我認為有必要在水務領域對臭氧微氣泡進行更長期的性能驗證。下面這個研究探討了臭氧微氣泡化技術在去除典型嗅味物質方面的應用。研究結果表明，將臭氧微氣泡化技術與活性炭相結合，對于去除GSM和2-MIB具有顯著效果，并且該組合技術對這兩種污染物具有較強的抗沖擊能力。在系統運行過程中，去除效率與臭氧濃度呈正相關關系。若在臭氧濃度適宜的基礎上，適度延長炭床的停留時間，能夠進一步提升飲用水中這兩種常見污染物的去除率。這是已經公開發表的研究結果，其采用的臭氧微氣泡發生器為常規設備。

以下內容摘自《工業水處理》2023年公開發表的一篇文獻，該文獻探討了臭氧微氣泡技術與水廠水處理強化氣浮技術的結合應用及其效果。研究結果表明，通過將臭氧微氣化，當氣泡直徑控制在43至55微米范圍內時，相較于傳統微孔曝氣技術，其氣泡尺寸顯著減小。傳統微孔膜的氣泡尺寸通常較小，但具體數值不詳，而傳統微孔膜產生的臭氧氣泡尺寸大約在550至700微米。縮小臭氧微氣泡尺寸后，其吸收率顯著提升，分別增加了41.9%和46.2%。此外，通過對比兩種工藝，即臭氧微氣泡技術與傳統氣泡技術，發現前者在去除藻細胞、濁度、UV254方面均有提升，且與傳統工藝相比，去除率有顯著改善。

核工業第八研究所關注的微氣泡技術

關于研究進展，我們的工作是基于實際需求展開的。在特定的應用場景中，我們不僅僅使用微氣泡，我們還利用微氣泡發生裝置來模擬不利環境，以此優化特殊場景下的設計。此外，在特定行業的廢水處理方面，由于我們采用臭氧工藝，我們致力于減小臭氧氣泡的尺寸，以增強氧化效率。因此，我們開發了微氣泡發生裝置。

目前，由于我們的需求極為特殊，我們尋求的微氣泡裝置必須具備耐輻射、耐強酸強堿、低能耗、高產氣量、微小氣泡直徑，并能在高溫高壓環境下穩定連續運行。同時，設備設計需簡潔輕便，以滿足減量化的需求。

鑒于上述要求，我們團隊啟動了一項創新基金項目，該項目由本人負責。我們研發了原理樣機，并選用了高過濾精度的特種膜材料。我們采用了多種材質的膜材料，包括金屬、非金屬以及金屬與非金屬的復合材料。由于有機材料不適用，我們最終制成了5款滿足核工業標準的原理樣機。在哈爾濱工程大學，我們對這些樣機進行了測試，使用了-17℃的氮氣來檢驗裝置的低壓耐受能力。測試結果表明，該裝置性能穩定，微氣泡尺寸小于50微米，且產氣量相當可觀。在大約半小時的測試中，一瓶從-17℃低溫庫中取出的氮氣迅速被消耗完畢。盡管設備較為簡陋，許多參數未能及時測量，但原理樣機基本上滿足了核工業特殊應用場景的需求。目前，該項目已經正式立項。這是我們原理樣機的關鍵參數介紹。其工作氣壓極低，僅需50千帕，即可實現每分鐘每平方米產氣量超過200毫升。在純水體系中，微氣泡的直徑可控制在100微米以下；而在甘油體系中，直徑更是可降至50微米以下。通過與哈爾濱工程大學的緊密合作，我們正致力于調整特殊體系，以期達到微氣泡直徑約10納米的水平。盡管如此，我們仍在不懈努力中。

接下來，我們與高等教育機構展開了合作，該合作項目由本人主導。我們設計了一種創新的同心圓三通進氣裝置。該裝置采用圓形設計，并設有三個進口分支，不同圓周位置的進氣量各異，相應的膜管排布也有所不同，這一設計既富有趣味性又極具吸引力。該裝置的投影面積為0.4平方米，支持等面積放大。其微氣泡產氣量不低于每分鐘每平方米240L，這一指標遠超我們的預期目標。

我們已經成功制造出該裝置，并需進行驗證。在核工業規模化應用中，我們必須確保四個方面的驗證無一缺失。首先，需驗證裝置的長期運行穩定性；其次，要經受極端運營條件的考驗，包括之前提到的在-17度的氮氣環境下進行的測試和通過耐輻照性測試。我們將裝置置于輻照箱中，盡可能增加劑量，這對我們的技術團隊而言并非難事。第三，需完成長期的冷試試驗；最后，進行熱試效能評估。在此，我將為大家普及相關知識。在核工業領域，我們把不含放射性物質的實驗環境稱為冷試，而含有放射性核素的實驗環境則稱為熱試。因此，若我們的裝置要在核工業中使用，盡管前期評估已表明其具備可行性，但若要規模化應用并進行工程化，必須滿足這四個條件。這正是我們今日討論的重點。

前述的耐輻照性能問題，我們有能力解決。然而，長期的冷試驗問題則不在我們解決的范疇之內。同樣，熱試驗的效能問題我們亦能妥善處理。因此，接下來，我們關注的第四項議題是尋求合作伙伴，以協助我們對這些裝置進行長期的冷態運行穩定性評估。若存在任何問題，請直接告知我們，以便我們能夠了解實際情況并作出相應的改進。同時，我們也期待合作伙伴能夠提出建設性的意見，幫助我們進一步提升產品質量。我們尋求的是能夠坦誠告知問題所在的合作方，這正是我們今天聚集于此的目的。接下來，我們將探討如何尋找能夠幫助我們進行長期冷試驗驗證的合作伙伴。

我們的目標是實現成果共享，追求合作共贏，尋找志同道合的合作伙伴，他們應當具備積極進取的態度、勇于承擔責任、擁有充足的信心，并且能夠實現共贏。例如，我們致力于將產品推向核工業領域，畢竟這是我們專業所在，我們必須滿足自身的需求。然而，我們也深知，該產品同樣適用于其他領域，比如其起源于化工領域，不僅適用于核工業，在核工業使用后，其他領域同樣可以受益。

若有人認為我們的產品同樣適用于高品質水處理領域，并愿意共同探討，歡迎與我們聯系，共同研究如何推進長期的冷試驗證。此外，關于膜材料的性能提升、設備設計優化以及工程應用推廣，都是我們核工業愿意承擔的任務。而我們期望合作伙伴能夠承擔起產品在比如高品質飲用水處理行業中的長期冷試運行的評價和領域的推廣應用。如前所述，我們希望合作伙伴在應用我們的設備時，能夠指出設備存在的不足之處，幫助我們進一步評價設備的真實性能。一旦問題得到解決，如果合作伙伴認為可以在其領域內推廣應用，這對我們而言是錦上添花，樂觀其成。

接下來是關于信心的討論。任何技術都不可能一經問世就完美無缺，能夠解決所有問題。在冷試試驗過程中，可能會遇到一些挑戰，但我們不應畏懼。我們對自己、對合作伙伴以及對整個團隊都應充滿信心。基于實事求是的原則和目標導向，我們將堅持不懈地完成任務。接下來是關于共贏的討論。我們核工業所屬于科研院所，而非高校，因此我們能夠與合作伙伴共享知識產權。鑒于我們致力于核工業的發展，資金問題不是我們關注的焦點，我們更關注的是解決問題。因此，我們愿意將部分利潤回饋給科研工作。

基于這樣的態度，我們也希望我們的合作伙伴能夠展現出共贏的精神。最重要的是，我們應共同努力，確保項目的成功。

\ | /

編輯整理：《凈 水技術》編輯 徐蔚雁

排版：《凈水技術》編輯 李濱妤

審核：《凈水技術》社長/執行主編 阮辰旼

推薦閱讀（點擊標題跳轉）

《凈水技術》2025年活動計劃

《凈水技術》刊務理事會歡迎廣大水務企業加盟合作

詳情可咨詢市場部 ：孫編輯 15900878214