微米气泡的性质

(1)比表面积大
气泡的体积和表面积公式分别为
V=π/6 𝑑^3
S=π𝑑^2
将两个公式合并,可以得到
𝑆/𝑉=6/𝑑
可见,相同体积的球体表面积与直径成反比。例如,相同体积气体形成的2μm微米气泡的总表面积是2mm普通气泡的1000倍。巨大的比表面积让微米气泡在各种关注通量的过程中展现出明显的优势,如关注扩散通量的传质过程、关注热通量的传热过程等,尤其当所需要传质的气体较为贵重、或对传质、传热通量有更高要求时,微米气泡的优势更加明显。

(2)上浮速度小
经典的斯托克斯(Stokes)方程给出了层流状态下气泡的最终上升速度(粘滞阻力等于浮力时)方程:V_𝑝=1/18 (ρ_𝑙−ρ_𝑔)/μ g𝑑^2
可见,气泡在相同液体中的上升速度与气泡直径的平方成正比,即相同深度(上升距离相同)的气泡,在水中的停留时间与气泡直径的平方成反比。例如,
1mm的气泡在水中的最终上升速度约500mm/s,而对于20μm的气泡,其在水中的最终上升速度仅为约0.2mm/s,以1m深处气泡稳定上升计算, 2mm气泡在水中的停留时间仅为2s,而20μm气泡在水中的停留时间长达为5000s,极大的水中停留时间可以大大延长传质、传热时间,提高气液平衡程度。

(3)内部压力大
液体中气泡压力一般包括气泡内部气体分子热运动对于气液界面碰撞形成的压力以及液体表面张力对气液界面施加的额外压力,该力可以理解为气液界面液体分子受体相液体分子和受气体分子的吸引力差值。根据杨-拉普拉斯(Young-Laplace)方程,该力造成的气体内部压力变化可以表示为△P=4δ/𝑑
可见,表面张力对于气泡内部压力的贡献与气泡直径成反比,同时,只有当气泡直径足够小时,该附加压力才不可忽略。例如,1mm气泡受拉普拉斯压力仅为0.003个大气压,而3μm气泡受拉普拉斯压力则达到1个大气压。也就是说,相比与传统气泡,液体表面张力额外增加了气泡内部压力,强化了遵循Fick定律的浓度梯度推动的传质等过程。

(4)表面负电荷
带电颗粒在单位电场强度作用下,单位时间内移动的距离(即迁移率)为常数,是该带电粒子的物化特征性常数。不同带电粒子因所带电荷不同,或虽所带电荷相同但荷质比不同,在同一电场中电泳,经一定时间后,由于移动距离不同而相互分离。分开的距离与外加电场的电压与电泳时间成正比。
通过观察液体(水)中微米气泡在电场下的运动,可以准确的判断气泡电荷。正常条件下,微米气泡一般携带-30mV左右的电荷(Zeta电位),这也是人们常说的微米气泡表面带负电的原因。
实际上,这种微米气泡表面带负电的现象,很可能与气泡本身无关,而是水-疏水界面电荷排布的不对称性造成的,也就是说,与水接触的疏水界面(包括气泡)都带有负电荷,将该过程简单理解为体相电离平衡条件下氢氧根离子在疏水界面上的选择性吸附可能有悖于该过程所需的巨大能量(>50kJ/mol),但是我们似乎可以这样理解,氢氧根离子的选择性富集并不发生在气液界面上(这里可能是氢离子占优势),而是发生在适当远离气液界面的下层(距离气液界面几nm的区域),这样,宏观的Zeta电位仍为负值,所需能量也大大降低,同时,也符合光学表征未观测到气液界面氢氧根离子富集的实验事实(因为光学仅能表征气液界面附近几层原子,未达到氢氧根离子的富集层)。
无论机理如何,宏观带电的微米气泡在实际应用过程中都表现出巨大的吸引力,在浮选、清洗过程中,利用微米气泡的表面电荷,可以提高吸附效率;同时,气泡表面的负电荷可能引发自由基反应、氧化还原等电子转移途径变化,强化反应过程。

(5)弛豫时间短
微米气泡的弛豫时间,一般指流体力学中的当液体粘滞力作用在微粒上产生直接曳力后,微粒可以跟随液体形成相同流型流速的时间。
τ_P=𝑑_𝑃^2 ρ_𝑃/(18μ_𝑓 )
微米气泡的这一特性,使得微米气泡在许多LDV和PIV示踪过程中取代微米级颗粒,免除了固体颗粒回收环节。一般地,30μm微米气泡即可满足大部分示踪过程。
除流体示踪准确性(Fidelity)非常优秀以外,当液体中含有大量微米级气泡时,液体本身的流动会受到很大影响,实际上,作为特殊的气液两相流,含有大量微米气泡的气液两相流受到了非常大的关注,由于流场稳定,减小了液体密度和粘滞力的连续性,可以有效的减少摩擦阻力系数,减薄边界层,由于液液、液固相对运动的主要阻力集中在边界层内,借助微米气泡液体的两相流动可以较少流动阻力、提高运动效率。