微纳米气泡具有比表面积大、上浮速度慢、传质效率高、表面带电荷、产生大量羟基自由基等特点，目前已经广泛应用于矿物浮选、污染治理、生态修复、水产养殖、果蔬清洗、洗浴保健、无土栽培、化工反应等领域。将微纳米气泡作为一种过程强化手段，最早由日本研究学者提出并迅速发展。按照国际标准化组织(ISO)的分类标准，粒径低于100μm的气泡称为微细气泡，微纳米气泡主要由粒径在10~50μm的微米气泡和粒径小于200nm的纳米气泡组成。能够稳定产生大量的微纳米气泡是将其应用于过程强化领域的前提和关键，按照成泡机理划分，微纳米气泡产生技术可分为溶气释放式、引气分散式、微孔散气式、旋流剪切式、多相泵送式、电极电解法、超声空化法、化学反应法等几大类。溶气释放式是使气体在一定压力下溶解于水中并达到过饱和状态，然后设法使溶解在水中的气体（溶气水）以微细气泡（气泡直径为20~100μm）的形式从水中析出。引气分散式又称为诱导分散发泡，具体又可分为以文丘里管或射流器负压引气为典型特征的水力诱导分散发泡、以叶轮旋切负压引气为典型特征的机械诱导分散发泡，工程实际中的旋切式浮选机、涡凹气浮(Cavitation Air Flotation，简称CAF)系统等都应归属于此种机理；当然，还可通过压缩机等将目标气体正压泵送到来水管道内，在紧随其后的静态混合器内实现气液混合，产生较为致密的湍流气泡流。微孔散气式是当带压气体通过微孔介质层时，会被其上的多微孔剪切分散成微细气流，进而在液体的流动剪切作用下形成微小气泡；虽然该方法可通过调整微孔介质孔隙尺寸特征、气液间压力差等调节所产生微细气泡的质量，但若微孔介质孔径过小，则易被固体颗粒及黏性组分等堵塞，维护费用较高。旋流剪切式是在射流发泡技术基础上发展而来的一种较为新颖的发泡技术，主要是利用旋流效应提高湍流界面脉动程度和附加局部剪切应力来实现对气泡的剪切破碎作用，根据诱导旋流方式不同可分为轴向旋流式和切向旋流式两种，但都存在气泡质量受初始气相分布影响较大等缺点。多相泵送式是随着气液两相混输泵送技术逐步发展而产生的新型微细气泡产生方式，典型设备就是气液混合泵，如德国Edur气液混合泵、加拿大ONYX™微细气泡泵、日本尼可尼(Nikuni)气液混合泵、国内的离式螺旋微气泡泵等。电极电解法是采用不溶性的阳极和阴极、通入5~10V的直流电，直接电解水而产生氢和氧的微细气泡（在阳极析出氧气、在阴极析出氢气），同时完成氧化还原反应，缺点是电耗大、气泡产量小、电极板极易结垢；当采用可溶性阳极（如Fe、Al等）时，同时具有氧化还原和化学反应的作用。超声空化法通过向液体辐射超声波，基于超声波的空化原理，在超声波负半周时液体被拉伸产生负压，当负压低于液体空化压力时引发液体内部空化，产生微米级气泡；缺点是不能连续产生微气泡，且功耗比较大、效率偏低。化学反应法通过使用化学物质发生化学反应来产生微细气泡，例如有学者利用金属钠和水反应而获得大量氢气微气泡，也有人使用过氧化氢分解获得大量平均直径为3μm的氧气微气泡；缺点是使用化学试剂产生微气泡成本过高，而且容易造成水的二次污染。通过上述简单介绍不难看出，真正在工程实际中能够大规模推广应用的微纳米气泡产生技术应该从溶气释放式、引气分散式、微孔散气式、旋流剪切式、多相泵送式5种类型上去努力。当然，目前还出现了一些组合式微细气泡产生技术，例如将射流负压吸气和静态混合器相结合的管式混合气泡发生器，综合运用微孔散气成泡、文丘里管成泡和旋流成泡等微气泡发生技术的管式微细气泡发生器等。
1.溶气释放式微气泡发生技术
溶气释放式微气泡发生技术可以采取“高压溶气+低压释气”或“常压溶气+真空释气”的运行模式，其中“高压溶气+低压释气”型微气泡发生技术堪称微气泡发生技术的鼻祖，尤其是矿物浮选和气浮净水工程领域应用最为广泛。溶气释放式微气泡发生系统主要由溶气设备和溶气释放设备两大部分组成，填料罐和溶气释放器分别是二者的首选。工作过程中，将外加气源在加压条件下溶入水中形成饱和溶气水，溶气水随后在释放器处消能降压，并将溶解气以微气泡的形式释放。因此，设法尽量增加溶气罐的溶气量和使释气释放器高效彻底释气是提高溶气释放式微气泡发生技术成泡性能的关键。
（1）溶气罐
溶气罐是气液接触混合、气体溶解的主战场，其结构形式直接决定溶气量的大小以及运行能耗的高低。溶气罐结构由最初的空腔结构发展为填料式、喷淋式、喷淋填料式、喷射式等几种形式，所依据的溶气理论主要为亨利定律、双膜理论。填料式溶气罐目前应用最为广泛，虽然经过同济大学在20世纪80年代的努力研发，已经将填料式溶气罐的停留时间由此前的2~4min降低到1min左右，但目前仍然存在罐体体积大、水力停留时间长、运行能耗高、填料易堵塞等缺点。显然，为了使得溶气罐更加紧凑高效，就必须依靠单元技术的复合化来进一步提升气液接触传质效率或溶气效率，并且设法实现从溶气罐式结构向溶气管式结构的革命式转变。
本团队基于“射流喷嘴卷吸混合+锥形筒体稳流增效”的设计理念，研发了一种高效、低能耗、实用性强的新型射流卷吸式溶气罐，建立了以溶/释气效率、氧体积传质系数、气泡索特平均粒径和液相传质系数为评价指标的多尺度溶气性能评价手段，并通过室内实验和数值模拟相结合的方法，构建了溶气设备操作参数与评价指标之间的经验公式，这为新型高效溶气释放式微细气泡发生设备的工业放大设计和工艺优化提供定量依据。
在上述工作的基础上，团队与中海油研究总院等单位合作，设计研发了额定处理量为35m3/h的射流溶气式微气泡发生设备，并成功应用于恩平23-1油田钻采平台（DPP）紧凑型气旋浮装置（CFU）的升级改造，显著提升了额定处理量为350m3/h的紧凑型气浮装置除油效果。历时一周的现场试验表明，射流溶气式微气泡发生器对CFU除油系统的提升率为38.79%，能够经受海上油田现场苛刻环境条件的考验。现场试验数据结果得到了中海油研究总院工程研究设计院、中海油能源发展装备技术有限公司深圳分公司、EP23-1DPP钻采平台作业方的高度认可。
展望未来，团队将继续围绕射流喷嘴散气机理、溶气构件结构升级及出水稳压管创新设计等方面潜心深挖，以期在现有技术的基础上大幅缩减有效溶气时间、显著提升设备紧凑性，实现射流溶气管式设备工程样机的成功研制。
（2）溶气释放器
在溶气释放式微气泡发生系统中，如果说提高溶气效率是在追求“量”方面的提升，那么溶气释放器的释气性能则是在追求“质”方面的提升，溶气释放器的结构形式直接决定所生成微气泡的平均粒径大小及分布情况。溶气释放器发展经历了仅依靠压力降进行释气的针阀结构到依靠消能降压和提高能量耗散率进行释气的专用溶气释放器，例如荷兰的WRC释放器、英国的AKA释放器及国内同济大学研制的TS、TJ、TV系列释放器。近五年，国内出现了名为“物理激发器”的专利技术和产品，其实质仍为溶气释放器，旨在较为彻底的释放较低进水压力和较低过饱和度采油污水中的溶解气。
本研究团队基于低饱和度溶气水高效释气的设计理念，自主设计研发了BIPTDAR-Ⅰ型高效溶气释放器，并开展了室内实验研究，荣获第二届中国研究生石油装备创新设计大赛三等奖，可推广用于含低饱和度溶解气油田采出水的气浮净化处理、含有低饱和度溶解气的水流脱水等场合。
2.微孔管式微气泡发生技术
出于与油田采出水除油处理用气旋浮装置配套的迫切需求，本研究团队自2011年开始致力于管式微气泡发生器的设计研发，先后基于微孔介质发泡技术设计研制了具有自主知识产权的BIPTMBG-M-Ⅰ、BIPTMBG-M-Ⅱ和BIPTMBG-M-Ⅲ型微孔管式微气泡发生器。
（1）BIPTMBG-M-Ⅰ型
BIPTMBG-M-Ⅰ型微气泡发生器按工作原理又可称为“内腔走水-外环注气”式微气泡发生器，主体结构由切向进水管、腔体、陶瓷微孔管等组成，水流切向进入微孔管内部，带压气体由环形气腔经微孔管外壁注入管内，随后旋转水流切割从微孔管内管壁处溢出的连续细小气流，进而形成大量的微气泡。
（2）BIPTMBG-M-Ⅱ型
BIPTMBG-M-Ⅱ型微气泡发生器又可称为“内腔注气-外环走水”式微气泡发生器，当高压气体通过微孔管时将被微孔切割成微小气流，微小气流在液体的旋流剪切作用下将会形成微气泡，并与液体混合形成气液混合物。为了减小微气泡在液体中聚并形成大气泡的机率，在微孔管外部加装了金属多孔整流管，通过整流管上的众多切向小孔后，液体的旋流剪切作用将会增强，产生的微气泡及时的被液体冲刷带走，使微气泡遍及旋流液体层。
（3）BIPTMBG-M-Ⅲ型
与前两代产品相比，BIPTMBG-M-Ⅲ型微细气泡发生器的结构发生了较大改变。首先是气腔材质由之前的陶瓷微孔管更换为金属或其它薄材质的微孔板。水流从切向入口进入气泡发生器内部后形成旋流，从微孔板表面释放出来的微细气流在水流切割作用下形成大量所需微细气泡。就整体结构而言，整个气腔结构简单，拆装更加方便，处理能力更强。
3.旋流剪切式微气泡发生技术
为进一步提高大处理量下微气泡发生器的结构紧凑性，降低微孔介质材料被污水堵塞的风险，同时提高成泡质量。本研究团队基于前期工作，成功研发了基于旋流剪切作用的BIPTMBG-S-Ⅰ和BIPTMBG-S-ⅠI型轴向旋流式微气泡发生器。
（1）BIPTMBG-S-Ⅰ
BIPTMBG-S-Ⅰ型轴向旋流式微气泡发生器由起旋段、涡流段和涡破裂段组成，涡破裂段后设置有变径部件。在起旋段内，柱状部分为挡流体，导流叶片安装在挡流体，与起旋段内径之间形成环空间隙。气液混合物由起旋段前的入口进入气泡发生器，遇到挡流体后由挡流体与起旋段内壁形成的环形空隙通过，流体的速度增加，压力降低。在此过程中，流体不断撞击导流叶片，并从导流叶片之间的缝隙中呈螺旋状流动，致使流体的湍动程度和湍动能耗散率急剧增加，分散相气体形成大量的微米级气泡。
（2）BIPTMBG-S-Ⅱ
BIPTMBG-S-Ⅱ型轴向旋流式微气泡发生器的主体结构由环形注气部件和气破碎部件组成，环形注气部件由内环和外环组成，气泡破碎部件由文丘里结构和轴向起旋元件组成。工作过程中，压缩空气由注气管进入注气部件，并在水流作用下生成初始气泡；混合有离散气泡的气液两相流随后进入气泡破碎段，并在水力剪切破碎作用下生成微米级气泡。
4.高通量文丘里管式微气泡发生器
本团队在北京市自然科学基金委员会-北京市教育委员会联合资助项目暨北京市教育委员会科技计划重点项目的资助下，围绕常规文丘里管式微气泡发生器的不足开展应用基础研究，揭示了两级串联文丘里管内气泡破碎机理，厘清了气泡碎化主导机制，并基于VOF多相流模型和可视化实验研究，阐明了文丘里管内气泡破碎动力学行为，并采用气液界面面积定量表征气泡碎化程度。在此基础上，创新性提出一种以“插入式微孔管+两级串联文丘里流道”为特点的新型高通量文丘里管式微气泡发生器。
通过理论分析、数值模拟和可视化实验等手段，开展了新型管式微气泡发生器成泡机理、结构优化和应用实验研究，所设计的新型管式高通量微气泡发生器尤其能够实现小气水比下酸性污水的高效吹脱改性，节能潜力较大。
5.微纳米气泡实验测试手段
（1）微纳米气泡粒径测试手段
当前微纳米气泡粒径的主流测试方法包括基于高速摄影和图像处理软件的图像测量技术、基于电子显微镜的显微测量技术、基于激光衍射的激光粒度仪、基于激光多普勒效应的PDA和电子探针等方法。本研究团队经过多年的积累，拥有高速摄影、电子显微镜、激光粒度仪、PDA、FBRM、PVM等多款先进仪器可用于微纳米气泡的粒径测量，并具备微气泡取样测量、在线异位测量和在线原位测量的实验条件。
| 仪器名称 | 型号 | 产地 | 图片 |
| MICROTRAC激光粒度仪 | S3500 | 美国 |  |
| 岛津激光粒度仪 | SALD-2300 | 日本 |  |
| 马尔文激光粒度仪 | Mastersizer 3000 | 英国 |  |
| 马尔文激光粒度仪 | Mastersizer 3000 | 英国 |  |
| 高速摄影机 | Motion ProY3 | 德国 |  |
| 电子显微镜 | LEICA DM 2700 P | 德国 |  |
| 相位多普勒激光测速仪（PDA） | DANTEC DYNAMICS | 丹麦 |  |
| 聚焦光束反射测量技术（FBRM） | METTLER TOLEDO Particle Track G600 | 瑞士 |  |
| 颗粒录影显微技术（PVM） | METTLER TOLEDO Particle View V19 | 瑞士 |  |
| 金属丝网传感器（WMS） | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf WMS-200 | 德国 |  |
（2）微纳米气泡Zeta电位测试手段
微气泡表面的带电特性对气泡间聚并、气泡与固体颗粒（或油滴颗粒）间的粘附特性有重要影响。气液界面的电荷特性常用界面电位(即Zeta电位)进行表征，Zeta电位绝对值的大小反映了气泡的分散特性。一般而言，Zeta电位越大，气泡体系越稳定。本研究团队拥有Malvern Nano Z型界面电位分析仪，可用于测量微气泡的Zeta电位值。
5.科研立项及工程应用
自2011年以来，本研究团队持续开展了微纳米气泡发生技术方面的研发工作，在承担完成中海油能源发展股份有限公司安全环保公司、国家自然科学基金委员会、中国石油化工股份有限公司西北油田分公司、北京市自然基金委员会、中海石油（中国）有限公司北京研究中心关于微纳米气泡技术科研项目的同时，还作为与BIPTCFU系列油田采出水除油和炼化污水处理用气旋浮装置配套的核心设备，实现了BIPTMBG-M-Ⅰ型微孔管式微气泡发生器的实际工程应用。此外，2023年初，团队设计研发的射流溶气式微气泡发生器成功应用于海上平台气旋浮设备的升级改造项目，为团队微细气泡发生设备的工程应用开拓了新方向。
| 项目名称 | 时间 | 项目类型 |
| 微气泡性能评价 | 2013年01月 ～ 2014年12月 | 中海油能源发展股份有限公司安全环保公司技术服务项目(项目编号：CY-HB-13-ZC-158) |
| 微气泡性能评价试验(二期) | 2015年01月 ～ 2015年12月 | 中海油能源发展股份有限公司安全环保公司技术服务项目(项目编号：RL-15-ZC-SNG-007) |
| 微孔介质预分散式轴向旋流微细气泡生成机理与特性研究 | 2019年1月 ～ 2021年12月 | 国家自然科学基金青年科学基金项目(项目编号：51806019) |
| 酸性污水吹脱法改性工艺技术研究及应用-酸性污水吹脱法改性工艺研究 | 2018年10月 ～ 2019年10月 | 中国石油化工股份有限公司西北油田分公司技术开发项目（合同编号：34400007-18-ZC0607-0187） |
| 多级协同管式高通量微细气泡发生器的成泡机理与特性研究 | 2020年1月 ～ 2022年12月 | 2020年度北京市自然科学基金委员会-北京市教育委员会联合资助项目暨北京市教育委员会科技计划重点项目（项目编号：KZ202010017026） |
| 高效式气泡发生器成泡特性测试 | 2020年04月 ～ 2020年12月 | 中海石油（中国）有限公司北京研究中心科研项目（合同编号：CCL2020RCPS0044RCN） |
BIPTCFU-Ⅲ-20
BIPTCFU-Ⅲ-100
BIPTCFU-Ⅲ-120
射流溶气式微气泡发生器
| 我们发表的文章及申请的专利 | |
| 1 | 陈家庆, 蔡小垒, 王春升, 等. 管式微孔介质气泡发生器中气泡粒径分布的实验研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2016(3): 490-498. |
| 2 | 蔡小垒, 陈家庆, 杨驰, 等. 微孔介质发泡技术孔径对微气泡质量影响的实验研究[J].现代化工,2017,37(07):159-162. |
| 3 | 丁国栋, 陈家庆, 王春升, 等. 轴向旋流式微气泡发生器的结构设计与数值模拟[J]. 过程工程学报, 2018, 18(05): 934-941. |
| 4 | 丁国栋, 陈家庆, 安杉, 等. 一种气浮处理用新型溶气释放器的设计研究[J]. 北京石油化工学院学报, 2017, 25(04): 24-29. |
| 5 | Guodong Ding, Zhenlin Li, Jiaqing Chen, Xiaolei Cai. An investigation on the bubble transportation of a two-stage series Venturi microbubble generator[J]. Chemical Engineering Research and Design, 2021, 174: 345-356. |
| 6 | Guodong Ding, Jiaqing Chen, Zhenlin Li, Xiaolei Cai. Numerical simulation on the motion and breakup characteristics of a single bubble in a Venturi channel[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2021, 60(40): 14613-14624. |
| 7 | Guodong Ding, Jiaqing Chen, Zhenlin Li, Xiaolei, Cai, Yipeng Ji. An investigation on the bubbly flow of a venturi channel based on the population balance model[J]. Canadian Journal of Chemical Engineering, 2022, 100(7): 1652-1664. |
| 8 | Guodong Ding, Jiaqing Chen, Zhenlin Li. An investigation on the bubble breakup characteristics by recirculation flow in a venturi channel[C]//Fluids Engineering Division Summer Meeting. American Society of Mechanical Engineers, 2021, 85307: V003T08A002. |
| 9 | 丁国栋, 陈家庆, 李振林, 等. 注气孔位置对文丘里管式微气泡发生器成泡特性的影响分析[J]. 化工学报, 2021, 72(11): 5552-5562+5437. |
| 10 | 丁国栋, 陈家庆, 蔡小垒, 等. 文丘里管式微气泡发生器内单气泡碎化行为的数值模拟[J]. 化工进展, 2020, 39(7): 2590-2598. |
| 11 | 张怡青, 陈家庆, 丁国栋, 等. 3种内筒溢流型溶气罐结构改进设计方案的溶气性能对比分析[J]. 环境工程学报, 2021, 15(12): 4088-4098. |
| 12 | 张怡青, 陈家庆, 丁国栋, 蔡小垒. 溶气释放式微细气泡发生技术的溶气机理与设备研究进展[J]. 北京石油化工学院学报, 2022, 30(01): 13-25+30. |
| 13 | 郭云霞, 蔡小垒, 李爽, 等. 文丘里串联结构气泡发生器气液混合和发泡特性试验[J]. 环境工程技术学报, 2022, 12(04): 1350-1358. |
| 14 | 陈家庆, 王春升, 蔡小垒, 等. 污水气浮处理用微细气泡发生器[P]. 中华人民共和国国家知识产权局，ZL201310118931.7，2013年04月08日申请；2014年07月16日授权公告，CN103193288B. |
| 15 | 陈家庆，陈涛涛，蔡小垒. 基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置[P]. 中华人民共和国国家知识产权局，ZL201410239584.8，2014年05月30日申请； 2016年01月06日授权公告，CN104003460B. |
| 16 | 陈家庆, 丁国栋, 蔡小垒, 姬宜朋. 一种管式微细气泡发生器[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, ZL 201711205064.5, 2017年11月27日申请; 2021年6月1日授权公告, CN 107744732B. |
| 17 | 陈家庆, 丁国栋, 王强强, 等. 一种文丘里管式微气泡发生器[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, ZL 202210797031.9, 2022年7月8日申请; 2022年9月23日授权公告, CN 114849508B. |
| 18 | 陈家庆, 丁国栋, 张怡青, 等. 一种溶气设备[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, ZL 202210791329.9, 2022年7月7日申请; 2022年9月23日授权公告, CN 114849503B. |
| 19 | 陈家庆, 杨磻槟, 丁国栋, 等. 大处理量射流式溶气罐及溶气设备[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, ZL 202211050210.2, 2022年8月31日申请; 2022年11月18日授权公告, CN 115121137B. |
供拓展阅读的国内外相关文献及专利 |
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| 1 | Foroushan H K, Jakobsen H A. Experimental study of single bubble breakage in turbulent flow field: Evaluation of breakage models[J]. Chemical Engineering Science, 2022, 253: 117584. |
| 2 | Murai Y, Tasaka Y, Oishi Y, et al. Bubble fragmentation dynamics in a subsonic Venturi tube for the design of a compact microbubble generator[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2021, 139: 103645. |
| 3 | Lee C H, Choi H, Jerng D W, et al. Experimental investigation of microbubble generation in the venturi nozzle[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, 136: 1127-1138. |
| 4 | 熊永磊, 杨小丽, 宋海亮. 微纳米气泡在水处理中的应用及其发生装置研究[J]. 环境工程, 2016,34(06):23-27. |
| 5 | Agarwal A, Ng W J, Liu Y. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment[J]. Chemosphere, 2011, 84(9): 1175-1180. |
| 6 | 桂夏辉, 刘炯天, 曹亦俊, 丁起鹏. 气泡发生器结构性能的研究与进展[J]. 选煤技术, 2009(02): 66-70+81. |
| 7 | 陈志友, 陈湘清, 李旺兴, 周杰强. 浮选柱气泡发生器的研究与进展[J]. 煤炭加工与综合利用, 2008(02): 19-21. |
| 8 | 李浙昆, 张宗华, 郭晟, 刘波. 微泡浮选射流气泡发生器的研究[J]. 矿业研究与开发, 2007(05): 54-56. |
| 9 | 田野, 杨润全, 王怀法. 不同结构空化气泡发生器的试验研究[J]. 煤炭技术, 2014, 33(06): 216-218. |
| 10 | 李华, 刘卫, 吴胜伟, 等. 一种微气泡生成装置及其应用[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, ZL201410395362.5, 2014年08月12日申请; 2015年07月15日公告(公开). |
| 11 | 李浙昆, 李敏, 强艳丽, 等. 微泡发生器[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, ZL200920294403.6, 2009年12月14日申请; 2010年09月01日公告(公开). |
| 12 | 黄正粱, 帅云, 杨遥, 等. 一种微气泡发生器及其微气泡发生方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, ZL202010650278.9, 2020年7月8日申请; 2020年12月1日公告(公开) |
| 13 | 赵志强, 许升. 微气泡发生器及具有该微气泡发生器的洗涤设备[P]. 中华人民共和国国家知识产权局, ZL202010482236.9, 2020年05月29日申请; 2021年05月05日公告(公开), CN112746454A. |
