电催化反应电极界面纳微气泡多尺度研究进展

在电解水制氢、电催化还原CO_(2)等过程中,常伴随着电极表面纳微气泡的产生,其中气泡的成核、生长、运动等演变行为会极大影响电极表面活性位点的覆盖和释放,进而影响电化学反应效率.因此,电催化反应界面气泡的演化行为及调控机制,以及其如何影响反应速率、反应稳定性及选择性,是当前研究的热点.本文综述了电催化反应中电极界面纳微气泡的多尺度演化过程及其与电催化性能间的构效关系的研究进展,阐述了气泡的成核、生长和脱离的演化机制;以电解水制氢和CO_(2)电催化还原反应为典型研究体系,重点论述了电极结构和电解液设计对纳微气泡演化行为和反应效率的影响规律;从实验研究和计算角度,对电催化反应中电极界面纳微气泡的重点研究工作及发展趋势进行了展望.

微纳米气泡强化臭氧氧化降解含酚废水

为了降解毒性强的含酚工业废水,本文将微纳米气泡与臭氧氧化法相结合,探究了处理温度、溶液pH、苯酚初始浓度和臭氧浓度对苯酚降解的影响。结果表明,相较于传统气泡,微纳米气泡破裂可诱导产生更多的·OH,弥补了臭氧传质效率低和氧化性不足等缺点,使反应体系的氧化还原电位明显提高,并在苯酚降解过程中起到主要作用;相比于臭氧氧化法,苯酚降解效果得到显著提升;提升臭氧浓度、溶液pH及降低苯酚初始浓度均可促进反应体系中生成更多的·OH,进而提升除酚率。通过气相色谱-质谱法(GC-MS)检测苯酚降解的中间产物,分析了苯酚降解的可能路径。总体而言,微纳米气泡结合臭氧氧化法是一种有潜力的除酚技术,研究结果对此技术在工业废水降解中的应用和推广具有指导意义。

基于文丘里引射器的微纳气泡空化碎化性能研究

反应堆二回路凝汽器在进行泄漏检测时,通过对散布的SF6气体的红外吸收谱的监测,可以实现冷却剂泄漏的实时监测,为了实现均匀散布的SF6示踪气体,提高监测精度,文丘里管作为一种微纳米气泡发生器有着结构简单、能耗低、气泡生成效率及直径控制性能好等优点。在文丘里管中加入空化作用,基于空化溃灭作用能进一步促进气泡的破碎从而产生微纳米气泡,已有学者对文丘里管内湍流及空化效应进行了实验及数值研究,但缺乏结构参数与空化效应以及气泡碎化性能的研究。本文基于小尺寸和长喉部的文丘里管结构,对不同结构和流动参数下的文丘里管空化效应进行数值模拟,得到了结构及流动条件对其空化性能的影响,得到了满足空化碎化气泡性能的结构参数。最后基于可视化实验验证,对微纳气泡的尺寸分布进行可视化测量,其生成的微纳气泡尺寸在10-100微米。

氧微纳气泡改性矿物对水体的增氧效果及机理

氧微纳气泡改性矿物可改善富营养化引起的水体和表层沉积物的缺氧/厌氧问题,但微纳气泡的生成和增氧机理尚不明确。该研究以天然多孔矿物凹凸棒石和蒙脱石为例,研究了改性矿物的氧微纳气泡释放和对水体的增氧性能,并分析了氧微纳气泡的生成和增氧机理。光学显微镜和NanoSight测试结果表明两种改性矿物均能有效释放微米气泡(约100μm)和纳米气泡(80.0~213.9 nm),凹凸棒石比蒙脱石有更高的氧微纳气泡释放量和气泡固定效率,其释放量为0.12 mg/g,是蒙脱石的4倍。在本实验体系下,改性凹凸棒石和蒙脱石应用24 h可将材料空隙水DO从1.6 mg/L分别升高到7.3和5.6 mg/L;应用72 h可将上覆水DO从1.5 mg/L分别升高到4.6和4.4 mg/L。研究发现材料将氧携带到水体后,表面孔对从材料中脱附的氧起分散作用,进而生成了氧微纳气泡。

微纳气泡技术及在农业种植与养殖方面的应用

微纳米气泡具有很多独特的性质,如超长寿命、表面带电、比表面积大和传质效率高等。由于这些独特性质,微纳米气泡在诸多领域表现出巨大的应用前景,如水处理、农业、清洗、生物医药、土壤改良等。文中重点介绍了微纳米气泡在农业、水产养殖业中的应用。首先,介绍了微纳米气泡的定义和特性;其次,对微纳米气泡在农业养殖方面的应用进行了简要综述,如微纳米气泡改性材料可以提高水中溶氧量,进而提高鱼类存活率,可以促进动植物的生长发育和植物种子发芽。最后,重点介绍了研究团队应用微纳米气泡技术于水稻种植,并从其对土壤改良、水质提升、水稻产量和品质的提升方面进行了综述,发现微纳米气泡技术及利用其配置的微生物活菌制剂可以有效改善土壤的微生物菌群,修复养殖尾水,提升水稻的固氮能力,从而提高水稻的产量和品质,但相应的机理需要进一步研究。

含纳微级气泡的灌溉用水对水稻生长和产量的影响

为掌握和了解含有纳微级气泡的灌溉用水对水稻生长和产量的影响,在2015年开展了相关试验。结果表明,用经纳微气液分散相界面混合发生器产生的气泡水灌溉水稻,能提高水稻根系的活力,促进分蘖,有利于增加有效穗数、每穗粒数和千粒重,从而提高产量,并能减少化肥用量,有助于控制农业面源污染、保护生态环境。

臭氧微纳气泡高级氧化耦合工艺处理肼类废水

以偏二甲肼(UDMH)推进剂废水为例探究臭氧微纳气泡对肼类废水的处理工艺,在混合效果方面,通过比较臭氧微纳气泡方式和传统曝气方式,表明前者的混合效果显著提升,其中气含率由0.18%提升到1.45%,臭氧传质系数提升2.1倍,说明微纳气泡明显提升臭氧传质效率。利用单纯臭氧微纳气泡和臭氧大气泡对偏二甲肼废水进行处理,结果表明臭氧微纳气泡技术处理后的偏二甲肼降解率、COD去除率和氨氮去除率分别比臭氧大气泡提升17.7%、14.6%和31.0%。但由于臭氧氧化的局限性,单纯依靠臭氧无法实现偏二甲肼废水的高效处理,通过探究紫外、H2O2和臭氧催化剂的强化工艺,发现臭氧微纳气泡与紫外和贵金属臭氧催化剂的耦合工艺效果最佳,COD去除率由20.2%提升到79.0%,并且在能耗对比中,该耦合技术优势明显。

微纳气泡制备技术的研究进展

微纳气泡是指平均粒径在几十纳米到十微米之间的球形气泡,其独特的物化性质和生理活性引起了极大关注。近年来研究人员基于空化原理、亨利定律和化学反应等机理开发了大量的微纳气泡制备方法。本文介绍了微纳气泡的生成机理和制备技术,并针对微纳气泡的应用领域分析了对其的性能需求,展望了其制备技术的发展方向。

微纳气泡的三维动态表征

由于微纳气泡极易受到扰动,水溶液中微纳气泡的表征极其具有挑战性。二维成像及追踪技术可对亚微米/微米至宏观尺度级别的气泡进行无损、高速且灵活的表征和观测。然而,真实世界是三维的。受限于成像焦面的景深,二维成像技术无法完整还原气泡的空间形貌特征和局部的三维动态过程,亦无法区分气泡和其他杂质。因此,发展了一种基于数字全息显微镜(DHM)的微纳气泡三维表征技术。利用共轴和离轴两套数字全息光路系统,可同时获得多个微纳气泡的实时三维运动轨迹、瞬时尺寸、空间分布和相图。基于取决于折射率差异的相图信息,可进一步区分水中的气泡和杂质。因此,数字全息显微镜技术可为揭示溶液中微纳气泡的局部行为和物理化学特性提供新的信息,为更深入地了解微纳气泡的水相动态行为提供帮助。

一种臭氧微纳气泡废水处理系统及废水处理方法——郭壮,张在娟,程永喜,等.CN 114180670A

本发明公开了一种臭氧微纳气泡废水处理系统及废水处理方法,废水处理系统包括依次连接的臭氧气泡发生装置,臭氧微纳气泡发生装置和微纳气泡反应塔,其中,所述臭氧气泡发生装置用于将臭氧气体和废水进行一次溶气;所述臭氧微纳气泡发生装置用于将臭氧气体和废水进行二次溶气。将臭氧和废水经过一次溶气过程和二次溶气过程后,废水中的微纳气泡的尺寸明显减小,增强了微纳气泡在水中的稳定性,大大延长了微纳气泡的湮灭时间,利于臭氧传质与溶解,可以极大提升臭氧利用率,进一步提高废水处理效果,使本发明的废水处理系统不必增加接触反应塔数量即可达到废水处理效果,从而使废水处理系统的体积减小。该系统集成化程度较高,便于流动化作业,使用方便。

臭氧微纳气泡技术高效处理肼类推进剂废水

从气含率、臭氧溶解量和臭氧总体积传质系数等方面系统评价臭氧微纳气泡技术,相比于鼓泡式臭氧曝气方式,臭氧微纳气泡技术可使溶液气含率提升至8倍,臭氧总体积传质系数提升至2.1倍,臭氧传质效率显著提升。肼类推进剂废水处理实验中,臭氧微纳气泡处理技术可明显提升甲基肼、偏二甲肼、无水肼和单推–3四种肼类废水的降解率和氨氮去除率。但由于臭氧氧化的选择性,甲基肼和偏二甲肼废水的COD(化学需氧量)去除率不理想,采用紫外光对臭氧微纳气泡进行强化,将臭氧转化为活性氧自由基,结果显示COD去除率得到显著提升。

半导体超纯水中微粒子监测故障与对策

微粒子是半导体超纯水中核心的微污染控制指标,在线监测100nm和50nm粒子数浓度成为保障12英寸半导体生产工艺用水的关键措施。在超纯水制备系统的配送点(POD),激光粒子计数器(LPC)发生监测报警,影响了制备系统的运行和工艺设备的生产预警。研究简述了超纯水中颗粒物对半导体生产工艺的影响,分析了微纳气泡(MNBs)被光感应器累计测量导致计数器误判报警的原因。通过采样解吸系统(SDS)的中试试验,消除了气泡颗粒形成的83%的粒子浓度干扰,还原了真实的在线检测值(平均粒子浓度0.06pcs/mL),为半导体工厂湿法清洗的质量监控提供了稳定保障。

微纳气液界面水环境修复技术的原理与应用

微纳气液界面水环境修复技术是一种新型的水处理技术,该技术具有使用简便高效、无二次污染的特点。文章介绍了微纳气液界面水环境修复技术处理微污染地表水的基本原理,探讨了该技术的基本特点,介绍了几个地表水环境修复的成功案例。文章还展望了微纳气液界面水环境修复技术在微污染水体修复方面的应用前景。

纳微尺度流体传质与反应特性探索

多相反应体系颗粒的运动及其相界面上的理化特性对于分子扩散、能量传输和反应转化起着决定性作用,它直接决定着整个化学转化过程的能耗、物耗甚至过程安全.本文简要介绍过去20年来南京大学团队及同行们在多相反应体系纳微流体及其界面性质与反应强化方面开展的一些探索工作,包括纳微流体界面传质与反应增强效应;单个纳微气泡的结构、运动、传质和反应特性;动态、非线性和非平衡特征;纳微流体颗粒的测试与表征;纳微气–液(水溶液)体系的羟基自由基检测及其新化学效应;以及纳微流体在反应强化方面的应用等.研究表明,纳微流体具有明显区别于宏观流体的理化特性,是一个极具挑战性的新兴领域,亟需进行深入研究和开发.在理论方面,需要在考虑动态、非平衡和尺度效应的基础上对经典的物理化学和平衡热力学的相关理论进行修正与拓展;在实验方面,需要设计和建立适用于纳微流体、动态、原位和多因子测试的仪器和表征系统;在应用方面,需要发明可大规模制备(10^(3)~10^(6)m^(3)h^(-1))和调控纳微颗粒尺度、特别是在大气液比(如5:1~100:1)情况下的纳微界面发生装置,同时开发面向千差万别应用场景的纳微流体反应器平台及操控系统.

微纳气泡对气溶胶池洗去除特性影响研究

反应堆发生严重事故时,微纳米级放射性气溶胶颗粒随高压气体排入抑压水池,在池洗机理作用下滞留在水池中,从而达到防止放射性外泄的目的。已有研究表明,气溶胶池洗效率曲线呈U型分布,当气溶胶粒径在0.1~1μm范围内时,其池洗效率最低。为了提高该粒径范围内的气溶胶池洗效率,本研究借鉴微纳气泡在环境治理方面能够高效去除环境杂质的优势,开展了微纳气泡水中气溶胶池洗效率实验。通过设置对照实验,研究了微纳气泡水的基本特性与去离子水的不同,并将含气溶胶气体分别注入去离子水和微纳气泡水中,对比分析了两种池洗液体中的气溶胶池洗效率,从而探究了微纳气泡对气溶胶池洗去除特性的影响规律。实验结果表明,微纳气泡能够降低池洗液体与固体表面的接触角,提高池洗液体的负zeta电位,使气溶胶更容易穿透气液界面进入到液相中;同时,常规气泡在微纳气泡水中的尺寸更小,单位时间内脱离喷嘴的常规气泡数量增加,使微纳气泡水中常规气泡具有更大的比表面积,且能够在液相中滞留更长时间。这些变化使得微纳气泡水中0.25~1μm粒径范围内气溶胶颗粒的池洗效率显著提高。本研究可以为气溶胶池洗系统设计优化提供实验基础和理论依据。

高组分纳米碳酸钙填充改性聚丙烯的研究

采用双螺杆挤出机制备了高组分纳米碳酸钙(nano-Ca CO3)填充聚丙烯(PP)复合材料。研究了不同nano-Ca CO3用量对复合材料力学性能、收缩率、密度及比强度的影响。通过差示扫描量热仪(DSC)分析了复合材料的热行为,且利用扫描电镜(SEM)观察了材料冲击断面的微观形貌。研究表明,高填充份数的nano-Ca CO3对复合材料的拉伸强度略有负面影响,而对冲击强度和弯曲模量均有明显的帮助。还可明显地降低PP的收缩率,提高比弯曲模量。另外,高填充份数复合材料的密度低于理论值。DSC结果表明,PP由单纯的α晶型向α和β晶型共同存在转变。SEM分析表明,绝大部分nano-Ca CO3是以纳米级分散于PP中;复合材料内部还存在少量微米级和大量纳米级气泡,这些气泡对材料的韧性、比强度以及收缩率都有积极的影响。总体说来,高份数nano-Ca CO3填充PP有研究和生产的价值。

絮凝-微纳气泡法处理采油废水

对采自胜利油田的采油废水,分别进行了聚硅硫酸铁(PFSS)絮凝法、微纳气泡法和絮凝-微纳气泡联合法处理,考察了处理过程对采油废水水质和所配制聚合物(部分水解聚丙烯酰胺)溶液粘度的影响。结果表明,均可有效降低废水的矿化度、油含量和悬浮物含量,明显提高用其配制的聚合物溶液的粘度;联合处理效果明显高于单独采用絮凝或微纳气泡处理的效果。所处理后的废水可有望代替淡水用于油田现场配制聚合物驱油体系,在消除油田污水环境污染的同时,可节约淡水资源。

根部增氧模式对水稻产量与氮素利用的影响

【目的】根部缺氧是影响水稻生长发育与养分吸收的主要非生物因子之一。为了明确不同增氧模式的作用效果,探明水稻产量和氮素利用效率对根部增氧的响应特征,本试验研究了不同根部增氧模式下水稻生长动态、产量和氮素吸收积累与转运特性。【方法】以深水水稻品种IR45765-3B和水稻品种中浙优1号为材料,试验在顶部用透明塑料膜遮雨的水泥栽培池中进行,试验设施用CaO2（CaO2）、微纳气泡水增氧灌溉（MBWI）和干湿交替灌溉（AWD）等三个增氧模式处理及淹水对照（WL）。分别测定了两品种的生长动态、产量和与氮素利用相关的指标。【结果】与淹水对照相比较,根部增氧处理均显著促进IR45765-3B分蘖的发生,增幅为10.7%～33.6%,而中浙优1号茎蘖数仅在CaO2处理和AWD处理部分调查时期显著高于对照;根部增氧处理显著提高了两品种的干物质积累量,并显著提高两品种水稻产量,增氧处理下IR45765-3B产量较对照分别增加26.3%（CaO2）、21.8%（MBWI）和10.7%（AWD）,而中浙优1号产量较对照分别增加51.0%（CaO2）、52.2%（MBWI）和29.68%（AWD）;根部增氧显著增加水稻的氮素吸收与利用,与对照相比较,增氧处理下IR45765-3B和中浙优1号氮肥偏生产力均显著升高;施用CaO2和MBWI处理水稻氮素转运效率和氮素转运贡献降低,但齐穗期后两品种的氮素吸收量显著增加,齐穗期后IR45765-3B和中浙优1号在CaO2处理下的氮素吸收量较对照分别增加了73.4%和119.2%,MBWI处理下的氮素吸收量较对照分别增加了128.7%和106.5%。【结论】根部增氧显著促进水稻分蘖发生与成穗,增加水稻干物质积累并显著提高产量;在氮素利用方面,增氧处理下水稻植株对氮素的吸收与积累显著增加,且增氧处理显著促进了水稻对氮素的利用效率;三种增氧模式中CaO2和MBWI的效果较AWD更明显。

油田开采中后期的污水处理

絮凝—气泡法处理技术是在絮凝理论的基础上再使用气泡处理技术,二者结合使用达到油田污水处理效果。综合试验分析可知,絮凝—气泡法联合处理污水效果更好。油田废水中原油乳化程度高、分散性高、稳定性强、不易清除,加入配备的絮凝剂,使用气泡进行处理,提高絮体稳定性和吸附面积,可以促进颗粒和原油吸附在絮体上,从而达到良好处理污水效果。

微纳气液界面技术对水稻产量及效益影响研究

经纳微气液分散相界面混合发生器产生的灌溉水,能提高水稻根系的活力,促进分蘖,有利于增加有效穗、穗粒数和千粒重,提高产量,并能减少化肥用量,控制农业面源污染和保护生态环境。