超氧微納米氣泡在廢氣治理上應(yīng)用

認(rèn)識微納米氣泡螺旋槳葉片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片邊緣產(chǎn)生的微納米氣泡被微納米氣泡腐蝕的螺旋槳葉片首先用個(gè)生活中的實(shí)例做個(gè)說明,讓大家認(rèn)識一下微納米氣泡!第一頁，共34頁。1、微納米氣泡技術(shù)的發(fā)展歷史

早在19世紀(jì)，研究者們就已經(jīng)利用流體力學(xué)和物理學(xué)開始了對于毫米級氣泡在液體中生成、上升過程的研究。上世紀(jì)50年代，在化工領(lǐng)域開始了對氣泡和液滴的研究。兩相流（氣液、液液）特別是氣液分散相的基礎(chǔ)現(xiàn)象的研究成果，極大地促進(jìn)了化工機(jī)械的大規(guī)模應(yīng)用。氣泡的微細(xì)化是化學(xué)工業(yè)中促進(jìn)物質(zhì)移動，增進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度的關(guān)鍵技術(shù)，但當(dāng)時(shí)尚未出現(xiàn)能夠應(yīng)用于化工領(lǐng)域的微納米氣泡發(fā)生技術(shù)和手段。微納米氣泡發(fā)生技術(shù)是20世紀(jì)90年代后期產(chǎn)生的，其制造方法包括旋回剪切、加壓溶解、電化學(xué)、微孔加壓、混合射流等方式，均可在一定條件下產(chǎn)生微納米級的氣泡。一微納米氣泡簡介第二頁，共34頁。2、微納米氣泡的定義通常我們把氣體在液體中的存在現(xiàn)象稱作氣泡。氣泡的形成現(xiàn)象，在自然界中的許多過程中都能遇到，當(dāng)氣體在液體中受到剪切力的作用時(shí)就會形成大小、形狀各不相同的氣泡。目前，對氣泡的分類與定義并不是十分嚴(yán)格，按照從大到小的順序可分為厘米氣泡（CMB）、毫米氣泡（MMB）、微米氣泡（MB）、微納米氣泡（MNB）、納米氣泡（NB）。所謂的微納米氣泡，是指氣泡發(fā)生時(shí)直徑在10微米左右到數(shù)百納米之間的氣泡，這種氣泡是介于微米氣泡和納米氣泡之間，具有常規(guī)氣泡所不具備的物理與化學(xué)特性。一微納米氣泡簡介第三頁，共34頁。

超聲空化：液體中的微小氣泡核在超聲波作用下產(chǎn)生振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振蕩等一系列動力學(xué)過程稱超聲波空化作用。存在于液體中的微氣泡（空化核）在超聲場的作用下振動、生長并不斷聚集聲場能量，當(dāng)能量達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，微氣泡將急劇崩潰閉合。水力空化：當(dāng)液體壓強(qiáng)小于飽和蒸汽壓時(shí)，液體中的氣泡就會不斷膨脹，體積變大。而隨著流體運(yùn)動，氣泡到達(dá)高壓強(qiáng)、低流速區(qū)域之后，氣泡就會塌縮、爆裂。聲致發(fā)光：巨大超聲波能量產(chǎn)生微氣泡時(shí)，微氣泡內(nèi)部的溫度可以超過10萬攝氏度，過程中會發(fā)出瞬間閃光的現(xiàn)象，稱為聲致發(fā)光。。3.13.23.33、微納米氣泡的產(chǎn)生一微納米氣泡簡介第四頁，共34頁。一微納米氣泡簡介根據(jù)楊-拉普拉斯方程：ΔP=2σ/rΔP代表壓力上升的數(shù)值，σ代表表面張力，r代表氣泡半徑。直徑在0.1mm以上的氣泡所受壓力很小可以忽略，而直徑10μm的微小氣泡會受到0.3個(gè)大氣壓的壓力，而直徑1μm的氣泡會受高達(dá)3個(gè)大氣壓的壓力。微納米氣泡約在0.1μs的時(shí)間里急劇崩潰，將釋放出巨大的能量，并產(chǎn)生速度約為110m/s、有強(qiáng)大沖擊力的微射流，使碰撞密度高達(dá)1.5kg/cm2。現(xiàn)象氣泡在急劇崩潰的瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓（5000K，1800atm），冷卻速度可達(dá)109K/s——稱之為：空化效應(yīng)。4.微納米氣泡的空化效應(yīng)第五頁，共34頁。一微納米氣泡簡介5.微納米氣泡及空化的研究專著

第六頁，共34頁。6.1比表面積大6.2上升速度慢6.3自身增壓溶解6.4表面帶電6.5.產(chǎn)生大量自由基6.6傳質(zhì)效率高6.7氣體溶解率高一微納米氣泡簡介6、微納米氣泡的特性第七頁，共34頁。一微納米氣泡簡介氣泡的體積和表面積的關(guān)系可以通過公式表示。氣泡的體積公式為V=4π/3r3，氣泡的表面積公式為A=4πr2，兩公式合并可得A=3V/r，即V總=n?A=3V總/r。也就是說，在總體積不變（V不變）的情況下，氣泡總的表面積與單個(gè)氣泡的直徑成反比。根據(jù)公式，10微米的氣泡與1毫米的氣泡相比較，在一定體積下前者的比表面積理論上是后者的100倍?？諝夂退慕佑|面積就增加了100倍，各種反應(yīng)速度也增加了100倍。6.1比表面積大第八頁，共34頁。一微納米氣泡簡介根據(jù)斯托克斯定律，氣泡在水中的上升速度與氣泡直徑的平方成正比。氣泡直徑越小則氣泡的上升速度越慢。從氣泡上升速度與氣泡直徑的關(guān)系圖可知，氣泡直徑1mm的氣泡在水中上升的速度為6m/min，而直徑10μm的氣泡在水中的上升速度為3mm/min，后者是前者的1/2000。如果考慮到比表面積的增加，微納米氣泡的溶解能力比一般空氣增加20萬倍。6.2上升速度慢第九頁，共34頁。一微納米氣泡簡介

水中的氣泡四周存有氣液界面，而氣液界面的存在使得氣泡會受到水的表面張力作用。對于具有球形界面的氣泡，表面張力能壓縮氣泡內(nèi)的氣體，從而使更多的氣泡內(nèi)的氣體溶解到水中。

微納米氣泡在水中的溶解是一個(gè)氣泡逐漸縮小的過程，壓力的上升會增加氣體的溶解速度，伴隨著比表面積的增加，氣泡縮小的速度會變的越來越快，從而最終溶解到水中，理論上氣泡即將消失時(shí)的所受壓力為無限大。6.3自身增壓溶解第十頁，共34頁。一微納米氣泡簡介純水溶液是由水分子以及少量電離生成的H+和OH-組成，氣泡在水中形成的氣液界面具有容易接受H+和OH-的特點(diǎn)，而且通常陽離子比陰離子更容易離開氣液界面，而使界面常帶有負(fù)電荷。已經(jīng)帶上電荷的表面一般傾向于吸附介質(zhì)中的反離子，特別是高價(jià)的反離子，從而形成穩(wěn)定的雙電層。微氣泡的表面電荷產(chǎn)生的電勢差常利用ζ電位來表征，ζ電位是決定氣泡界面吸附性能的重要因素。當(dāng)微納米氣泡在水中收縮時(shí)，電荷離子在非常狹小的氣泡界面上得到了快速濃縮富集，表現(xiàn)為ζ電位的顯著增加，到氣泡破裂前在界面處可形成非常高的ζ電位值。6.4表面帶電第十一頁，共34頁。一微納米氣泡簡介

微氣泡破裂瞬間，由于氣液界面消失的劇烈變化，界面上集聚的高濃度離子將積蓄的化學(xué)能一下子釋放出來，此時(shí)可激發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自由基。羥基自由基具有超高的氧化還原電位，其產(chǎn)生的超強(qiáng)氧化作用可降解水中正常條件下難以氧化分解的污染物如苯酚等，實(shí)現(xiàn)凈化作用。6.5.產(chǎn)生大量自由基第十二頁，共34頁。一微納米氣泡簡介

氣液傳質(zhì)是許多化學(xué)和生化工藝的限速步驟。研究表明，氣液傳質(zhì)速率和效率與氣泡直徑成反比，微氣泡直徑極小，在傳質(zhì)過程中比傳統(tǒng)氣泡具有明顯優(yōu)勢。當(dāng)氣泡直徑較小時(shí)，微氣泡界面處的表面張力對氣泡特性的影響表現(xiàn)得較為顯著。這時(shí)表面張力對內(nèi)部氣體產(chǎn)生了壓縮作用，使得微氣泡在上升過程中不斷收縮并表現(xiàn)出自身增壓效應(yīng)。微氣泡在其體積收縮過程中，由于比表面積及內(nèi)部氣壓不斷增大，使得更多的氣體穿過氣泡界面溶解到水中，且隨著氣泡直徑的減小表面張力的作用效果也越來越明顯，最終內(nèi)部壓力達(dá)到一定極限值而導(dǎo)致氣泡界面破裂消失。

因此，微氣泡在收縮過程中的這種自身增壓特性，可使氣液界面處傳質(zhì)效率得到持續(xù)增強(qiáng)，并且這種特性使得微氣泡即使在水體中氣體含量達(dá)到過飽和條件時(shí)，仍可繼續(xù)進(jìn)行氣體的傳質(zhì)過程并保持高效的傳質(zhì)效率。6.6傳質(zhì)效率高第十三頁，共34頁。一微納米氣泡簡介6.7.氣體溶解率高微納米氣泡具有上升速度慢、自身增壓溶解的特點(diǎn)，使得微納米氣泡在緩慢的上升過程中逐步縮小成納米級，最后消減湮滅溶入水中，從而能夠大大提高氣體（空氣、氧氣、臭氧、二氧化碳等）在水中的溶解度。對于普通氣泡，氣體的溶解度往往受環(huán)境壓力的影響和限制存在飽和溶解度。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，氣體的溶解度很難達(dá)到飽和溶解度以上。而納米微氣泡由于其內(nèi)部的壓力高于環(huán)境壓力，使得以大氣壓為假定條件計(jì)算的氣體過飽和溶解條件得以打破。第十四頁，共34頁。一微納米氣泡簡介7、微納米氣泡的應(yīng)用有機(jī)廢氣(VOCs)處理、污水處理、水產(chǎn)養(yǎng)殖、無土栽培、果蔬清洗、洗浴保健、生態(tài)修復(fù)等.第十五頁，共34頁。二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介今天我們主要講微納米氣泡應(yīng)用在：有機(jī)廢氣(VOCs)處理領(lǐng)域。據(jù)了解目前微納米氣泡處理機(jī)廢氣(VOCs)主要應(yīng)用在：1.化工行業(yè)廢氣：樹脂、PVC塑膠廠等；2.噴漆行業(yè)廢氣：家具、鋁型材、汽車噴涂、家電噴涂等；3.低（高）VOCs，高濃度臭氣：木紋紙廠，食品廠等；第十六頁，共34頁。二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介

由于微納米氣泡受到環(huán)境中的物理（水的流動過程產(chǎn)生的壓縮和膨脹，旋渦流等）的刺激后，會因瞬間（約10的-9次方秒）絕熱壓縮而產(chǎn)生約10個(gè)大氣壓的超高壓和在分子間達(dá)4400℃超高溫的極限反應(yīng)場。將電離現(xiàn)象特有的超氧化物(superoxide)和活性氫氧基(hydroxylradical)，由壓壞效應(yīng)產(chǎn)生大量直徑更小的微氣泡，并呈現(xiàn)出超聲波、帶電性、滯留性、自我加壓性、擴(kuò)散性、強(qiáng)氧化性等特性，將有機(jī)物(VOCs)分解消滅（化學(xué)反應(yīng)）,同時(shí)將臟污成分破壞分離而懸浮水面，促使有機(jī)化合物(VOCs)部分轉(zhuǎn)化成二氧化碳及水、另一部分被礦化形成顆粒狀沉入水中，其特性不燃燒、不溶解、不含毒性。經(jīng)工程應(yīng)用測試，對甲苯、二甲苯、醋酸丁酯、丙酮、異丙醇、四氯乙烯等有機(jī)物(VOCs)能達(dá)到90%以上的去除率，也可以實(shí)現(xiàn)更高的去除率要求。

第十七頁，共34頁。二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介1、工藝流程圖第十八頁，共34頁。二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介2、單筒雙級設(shè)備構(gòu)造圖第十九頁，共34頁。二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介3、處理有機(jī)廢氣(VOCs)的過程第二十頁，共34頁。4.1機(jī)械剪切4.2熱解4.3自由基氧化4.4超臨界水氧化一微納米氣泡簡介4、處理有機(jī)廢氣(VOCs)的主要反應(yīng)機(jī)理二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介第二十一頁，共34頁。一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介4.1機(jī)械剪切在含有聚合物的多相體系中，由于微氣泡潰滅時(shí)會使傳質(zhì)模質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)速度和加速度，引起劇烈的振動，產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力，使大分子主鏈上的碳鏈產(chǎn)生斷裂，使高分子物質(zhì)降解。第二十二頁，共34頁。一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介4.2熱解由于微氣泡潰滅，在局部地點(diǎn)形成瞬間高溫，高分子化合物發(fā)生解鏈反應(yīng)．如烴類解鏈生成自由基和自由原子：RH—R·+H·

非極性、易揮發(fā)溶質(zhì)的蒸汽也能直接熱分解如CC14：

CC14—CC13+C1·CC13—CC12+C1·

水蒸氣解離產(chǎn)生H202等強(qiáng)氧化物，系統(tǒng)中加入的臭氧，通過這些強(qiáng)氧化物，又進(jìn)一步氧化廢氣中的有機(jī)物，反應(yīng)如：

CH30H+H202—HCO0H+H2OHCOOH+H2O—C02+H2O+H2

最終使有機(jī)物分解、氧化成溶于水或低粘度的物質(zhì)、二氧化碳，達(dá)到降解的目的。第二十三頁，共34頁。一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介微氣泡潰滅時(shí)，會產(chǎn)生局部的高濃度游離狀態(tài)的·OH、·H、O·等自由基，并產(chǎn)生高壓和微射流，產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力，使大分子主鏈上碳鍵斷裂，產(chǎn)生自由基。因自由基的強(qiáng)氧化性反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)降解。例如，·OH非?；钴S，能脫去有機(jī)分子(如烴類物質(zhì))上的一個(gè)氫，形成R·自由基，R·能被進(jìn)一步氧化成RO2，RO·也是強(qiáng)氧化劑，這樣自由基不斷產(chǎn)生不斷氧化，大大增強(qiáng)了空化的氧化效率，部分反應(yīng)如下:RH+·OH—R·+H20R·+O2—RO2·ROO·+RH—R·+HO2·RH+O2—R·+HO2·RH+H02·—R·+H2O2

隨著反應(yīng)的繼續(xù)，烴基過氧化物不斷分解，并與新的烴分子或自由基作用，并一步氧化生成中間產(chǎn)物。如醇和酮，反應(yīng)如下：RR'CH-00H—RR'CHO·+·OH

RR'CH0·+RH—RR'CH0H+R·4.3自由基氧化第二十四頁，共34頁。一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介超臨界水氧化（SupercriticalWaterOxidation，簡稱SCWO）：水的臨界點(diǎn)是溫度374.3℃、壓力2.05MPa，如果將水的溫度、壓力升高到臨界點(diǎn)以上，即為超臨界水，其密度、粘度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等基本性能均與普通水有很大差異，表現(xiàn)出類似于非極性有機(jī)化合物的性質(zhì)。超臨界水氧化是通過氧化作用將有機(jī)物完全氧化為清潔的H2O、CO2和N2等物質(zhì)，S、P等轉(zhuǎn)化為最高價(jià)鹽類穩(wěn)定化，重金屬氧化穩(wěn)定固相存在于灰分中，將有機(jī)物快速轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、N2和其他無害小分子。

在微氣泡潰滅過程中，形成超臨界水，有利于提高大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)速度，例如低揮發(fā)性溶質(zhì)如對硝基苯乙酸酯在瞬時(shí)超臨界水相的反應(yīng)如圖：4.4超臨界水氧化第二十五頁，共34頁。一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介

實(shí)驗(yàn)研究表明，在超臨界水環(huán)境下，羥基自由基氧化降解苯酚的機(jī)理如下：首先．苯酚在·OH的作用下被氧化為對苯二酚或鄰苯二酚；然后繼續(xù)被氧化為醌類化合物，之后開環(huán)形成脂肪酸(如丁烯二酸和乙酸)，最終降解為二氧化碳和水。反應(yīng)過程如下：第二十六頁，共34頁。一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介5、處理有機(jī)廢氣(VOCs)的最終結(jié)果

最終將有機(jī)物（VOCs）轉(zhuǎn)化為CO2

、H2O、N2

和其他無害小分子，以及一部分固體顆粒物。第二十七頁，共34頁。一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介6設(shè)備運(yùn)行項(xiàng)目對比第二十八頁，共34頁。一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介7、設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場實(shí)例第二十九頁，共34頁。一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面一廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)方面二基于超氧微納米氣泡技術(shù)的有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)簡介8、相關(guān)檢測數(shù)據(jù)8.1雙級處理處理VOCs的效率實(shí)例:(192-15.6)/192x10