微纳米气泡及其在环境工程领域的应用

李婷竹，郭冀峰，王嘉琳，李继香

(1.长安大学水利与环境学院旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安 710064；2.中国科学院上海高等研究院，上海 201210；3.上海市南洋模范中学，上海 200032;4.中国科学院大学，北京 100049)

微纳米气泡一般指直径<100 μm的微小气泡，其中，直径>1 μm的为微气泡，直径<1 μm的为纳米气泡。1994年，Parker等[1]基于水中疏水表面之间的远程吸引力间接证明了微纳米气泡的存在。2000年，胡钧与Ishida课题组则基于原子力显微镜分别独立地观测到了纳米气泡[2-3]，直接证实了微纳米气泡的存在。与普通气泡相比，微米气泡具有水中停留时间长、传质效率高、界面电位高、可释放自由基等特点；纳米气泡则界面电位更高、停留时间更长更稳定、界面效应强、生物效应显著，发现后便得到了广泛的关注，并被应用到了多个领域。

1 微纳米气泡的特性

微纳米气泡表现出的特性已超出了人们对传统气泡的认识，展现出独特的物理、化学及生物学特性，如水中停留时间长、界面电位高、传质效率高、可释放自由基、界面效应强、生物活性高等，但对其基础物理性质、整体尺寸效应、界面效应、生物效应等潜在特性的认识还有待深入。同时，还应区分和明确微米气泡和纳米气泡的共性和区别，以及不同方式产生的微纳米气泡的特性和适用场景是否存在差异，从而更好地理解和控制微纳米气泡，推动其在各个领域更广泛、深入的应用。以下就其在环境工程中应用最广泛的几个特性做简要介绍。

1.1 微米气泡特性

1.1.1 水中停留时间长

根据斯托克斯方程，气泡粒径与上浮速度成正比，粒径越大，上浮速度越快，反之亦然。普通气泡本身尺寸较大，且上升过程中气泡粒径越来越大，因而会迅速上升至水面而破裂。相反，微气泡本身尺寸小，在水中上升时会随着表面张力的增加而缩小尺寸，因而上升缓慢，从产生到破裂并溶解于水中历时更长。

1.1.2 传质效率高

根据拉普拉斯方程，当气泡尺寸较小时，球形气泡的内部存在一个附加压力，该压力与气泡表面张力成正比，与气泡粒径成反比[4]。……