引言

纳米气泡是尺寸小于1μm的超细气泡，比沙粒小 5000 倍，比普通气泡小约100万倍，肉眼几乎看不见。由于其微观尺寸，纳米气泡在水中表现出独特的特性，可以改善许多物理、化学和生物过程。

01纳米气泡的特性

      （1）水中停留时间长

      纳米气泡体积非常小，浮力几乎可以忽略不计，它在水中遵循布朗运动。相比普通气泡，纳米气泡在水中的运动路径更加曲折、上升路径更长，因此可以长时间在水中停留且不易上浮。

      （2）电位高

      纳米气泡表面吸附着带负电荷的离子，在这些离子周围又分布着带正电荷的离子层，由此形成了双电层。双电层之间的电势差用气泡界面ζ电位表示，气泡体积越小，双电层中积聚的电荷离子越多，ζ电位就越高，气泡的吸附性能也就越好。纳米气泡表面ζ电位值可达到-40mV~-100mV，对脂肪、油、油脂、胶体和固体等水污染物具有很好的吸附能力。

      （3）传质效率高

      纳米气泡周围存在的气液界面产生表面张力不断压缩气泡，使气泡直径缩小，气泡内部压力增大，出现自增压效应。随着气泡的压力梯度增大，传质速率加快。同时气泡体积不断缩小，比表面积越来越大，直到气泡界面破裂消失。比表面积的不断增大使得气液传输界面增大，迅速提高了传质速率。当水中溶解气体达到过饱和状态时，纳米气泡仍可以进行气液传质，因此可以达到很高的传质效率。

      （4）强氧化性

      纳米气泡在水中持续收缩，双电层中积累的电荷密度会不断增加，直至气泡临近破裂。这些极高浓度的电荷离子在气泡破裂时将积聚的化学能瞬间释放，激发产生大量具有超强氧化作用的自由基（如·OH），进而快速氧化降低水中有机污染物，达到对水质的净化效果。

02纳米气泡的应用

      一、纳米气泡耦合陶瓷膜超滤

      在以超滤为核心的第三代饮用水处理工艺中，虽然增加PAC微絮凝、次钠杀菌等预处理环节能够去除部分有机物，但水中残留的污染物，特别是亲水性有机物的存在，仍能导致超滤膜污染。在超滤进水中增加绿色无污染的纳米气泡，可以极大程度地缓解膜污染，提高过滤效率。主要表现在：

      ①增加过滤性能，改善膜过滤效率。纳米气泡可以吸附水中微小颗粒、细菌或病毒，同时增大水中的传质速率，因此它们能够提高絮凝效果使得更多污染物被吸附并随后被陶瓷膜截留。

      ②纳米气泡的微小尺寸和高能量状态有助于破坏膜表面的污染层，减少膜污染，延长膜的使用寿命。它们可以通过产生微小的湍流来帮助松动并移除附着在膜表面的污染物。

      ③使用氧气或臭氧等气体生成纳米气泡时，这些气泡可以作为强化氧化剂，杀死病菌。当与陶瓷超滤膜结合使用时，可以有效去除水中的有机污染物，例如农药残留、染料和其他难降解物质。

      ④纳米气泡可以降低水的粘度，从而提高膜的通量，降低超滤产水处理过程中的能耗，比如减少泵送压力或提高传质效率，从而节省电力。

      二、纳米气泡结合臭氧

      臭氧氧化是一种非常典型且常用的饮用水深度处理技术，常常与活性炭工艺联合应用于传统的混凝-沉淀-过滤工艺之后。但传统工艺采用的大气泡臭氧，因其在水中的传质效率一般且氧化不彻底，不仅耗能多，而且易分解为氧气、利用度低。将纳米气泡与臭氧结合产生臭氧纳米气泡，结合两者优点，克服传统臭氧气泡在水处理应用中的不足。

      ①臭氧纳米气泡对于UV254、氨、DOC、臭和味、三卤甲烷、重金属离子（铁、锰等）、新污染物以及微生物等重要水质指标都具有良好的去除效能。

      ②臭氧纳米气泡对于典型臭味物质土臭素（GSM）和2-甲基异莰醇（2-MIB）的去除率可达90%以上，在新污染物和微生物的去除上表现出高效节能的特点。

      ③臭氧纳米气泡消毒技术弥补了传统曝气方式下臭氧产生的气泡大、溶解性差、传质效率低等不足，结合其灭活速率高、彻底且无二次污染的优点，使臭氧纳米气泡消毒成为代替现有的二氧化氯、漂白粉、紫外线消毒的极佳选择。

      ④臭氧纳米气泡与紫外、活性炭、超滤等其他技术联用，能够充分发挥协同作用，提高体系中的臭氧利用率，从而更加快速、高效地实现对难降解有机污染物和微生物的去除。

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