微纳米气泡技术在渔业水产行业的研究进展及应用综述

1、微纳米气泡技术在渔业水产行业的研究进展及应用综述农业部渔业装备与工程技术重点实验室，摘 要： 微纳米气泡技术是当前国内外的前沿科技， 也是研究的热点。 该文详细介绍了微纳米气泡在悬浮物的吸附去除、 有机物的强化分解及促进生物活性等方面的最新研究进展与应用现状。综述了微纳米气泡发生装置的各种原理和结构，并对其应用进展进行了分析和探讨， 特别介绍了在渔业水产相关领域的研究应用情况。 指出了微纳米气泡技术目前面临的主要问题及对渔业研究领域的启示， 以期为微纳米气泡在水产养殖、 捕捞、 加工等领域的理论研究和技术应用提供参考。关键词： 微纳米气泡渔业 水产 研究进展应用 综述微纳米气泡是指直径为0.1

2、50师 的微小气泡，其中直径1 师 的微小气泡称为微气泡(micro-bubble),直径1 加、1 nm 的超微小气泡称为纳米 气泡(nano-bubble) 1。1 加类似于1个血红细胞的大小，而 1 nm 类似于1个芽孢杆菌的大小。 微纳米气泡具有比表面积大、 水力停留时间长、 表面带负电、自身增压溶解、能产生大量自由基、传质效率高、气体溶解率高等特性，具有通常气泡所不具备的物理与化学特性。在水体增氧、水质净化、生物制药、医疗卫生、精密化学反应等领域都有重要的价值。微纳米气泡研究可追溯到 19 世纪，当时人们已经开始利用流体力学和物理学等对毫米级气泡在液体中的生成和上升过程进行研究。 2

3、0 世纪 50 年代，人们开始在化工领域进行气泡和液滴的研究。 此后， 气液分散相的研究极大地促进了化工机械的大规模应用， 气泡的微细化是促进物质移动， 增进化学反应的关键技术。 20 世纪 90 年代， 随着纳米气泡研究的兴起， 微纳米气泡制造技术也在蓬勃发展。 纳米气泡对表面科学、 流体动力学、 生物科学以及一些应用领域都有深远的影响， 其研究具有重要的理论和实际意义2 ， 3 。微纳米气泡发生装置的研究和应用越来越受到广泛关注。 在渔业相关领域中，如工业化循环水养殖系统水处理单元的悬浮颗粒物去除4 、微藻细胞的采收以及水产品加工废水净化中使用的泡沫分离器或气浮机等的研究与应用， 都涉及微

4、纳米级的气泡5 。另外在渔业船舶方面，研究证实微纳米气泡减阻装置技术对船舶有减阻作用，船模试验表明，总减阻率可达32.8%6，7。1 微纳米气泡制造方法经查阅文献，根据气泡制造的方法不同可以分为： 超声空化法、化学反应法、电解法、分散空气法、溶气释气法等。(1) 超声空化法： 主要利用超声波空化原理， 通过向液体辐射超声波， 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， 就会引发液体内部空化， 产生微纳米气泡。 超声波空化法的特点是不能连续产生微气泡， 且平均直径也较大(120 师)8-10,能耗较高，效率较低；另外其空化产生气泡内的气 体主要是水蒸气，不是外部加入的气体，

5、因此不适用于水体增氧等场合。(2) 化学反应法： 通过使用化学物质进行化学反应产生微纳米气泡。 如金属钠和水的反应可以产生大量的氢气微气泡， 过氧化氢和水的反应可以产生大量的氧气微气泡11，12。该方法的特点是使用成本高，且容易带来二次污染，应用上受到极大的限制。(3) 电解析出法： 通过电极电解水的方式产生氢气和氧气获得微纳米气泡。由于电极的气泡吸附效应， 电解产生的气泡尺寸都比较大， 如文献报道平均直径为777 nm"或6 nmj 或是产生的微气泡约为 2060 叩，如图1所示旧 电解法的特点是产生的微气泡能耗高， 气量小，电极消耗大，不适用于大规模生 产应用Cd Au接触片 电

6、极 聚氨酯绝缘板戢理底板图1阵列矩形节点电极微纳米气泡发生装置的示意图Fig.1 Sketch Map of Generator of Micro-Nano Bubbles of Rectangular Node Electrodewith Staggered Arrays(4)分散空气法：主要通过高速剪切、搅拌等方式把空气反复剪切击破，混 合在水体中可以稳定地产生大量的微气泡。 该方法的特点是能耗低、效率高、不 产生二次污染。目前美、日、韩等国都有相应的产品，如图 2所示。国内目前也 有类似的产品上市，如云南夏之春环保科技有限公司生产的微气泡发生装置， 具 微气泡直径为200 nm4 加，如

7、图3所示。图2日本微纳米气泡发生装置示意图Fig.2 Sketch Map of Japanese-Made Micro-Nano Bubbles Generator图3机械切割的方式产生微纳米气泡Fig.3 Micro-Nano Bubbles Preparation through Mechanical Cutting Method水喷嘴气缸图4减压溶气法制备微纳米气泡的原理Fig.4 Principle of Micro-Nano Bubbles Preparation though the Decompressed AirDissolving Method(5)溶气释气法：主要通过加压

8、使空气溶解在水里， 然后减压释放，空气重新从水中释放，产生大量的微小气泡。该方法能耗较小，产量较大。如美国 Riverforest公司生产的微纳米气泡泵，主要通过将气液混合后输入到压气罐中,然后经释气装置将溶解气体释放出来形成微纳米气泡，其得到的气泡直径为530叩，如图4所示。溶气法对管道设计和控制的要求较高。另外一些类似于溶气释气的结构，也是将气体经适当压缩后与水体进行混合，如文丘里射流器法 是通过负压吸气后经喉管部位的压缩释放， 如图5所示；而旋回式气液混合法则是将气液混合体在圆锥形的空间中旋转压缩， 在圆锥两头的小孔进行释放，如图 6所示。图5文丘里射流器原理图Fig.5 Princip

9、le of Venturi Ejector'l液混合流体图6旋回式微纳米气泡发生装置原理图Fig.6 Principle of Cyclic-Type Micro-Nano Bubbles Generator图7射流装置改进前后对比图Fig.7 Comparison of Ejector before and after Improvement胡维安15对射流泡沫分离器进行了改进（如图7所示），并与微孔曝气泡沫分离器进行试验比较分析，结果认为前者的水处理效果要明显好于后者。分散空气法因其需要使用机械等方式分散空气，对设备要求较高。Sadatomi等16对自吸式射流器进行了改进，在管路中

10、间设置一个小球体，由于球体所在位置管径突然 减小，水流被压缩，球后形成的负压区域将气体从球后管壁通孔带入，并在管道中剪切形成微纳米气泡，如图8所示。刘季霖”I设计的潜水式节流孔释气微纳米 气泡发生装置（如图9所示），据称在使用长度为3 mm、直径为4.5 mm的节流 孔时，其获得的微气泡直径主要分布在 0.910 加 区域，峰值中心为3师, 另外在1.53.0 nm区域也有少量的纳米气泡分布。图8改进的自吸式射流器Fig.8 Improved Self-Prime Ejector图9潜水式节流孔释气微纳米气泡发生装置系统原理图Fig.9 Principle Sketch of Micro-Na

11、no Bubbles Generator through the Method of Submersible Throttle Orifice Releasing Gas(6)微孔板/面法：常用金属粉末、陶瓷或塑料等作为材料，再掺和适当的 酚醛树脂类的黏合剂，在高温下烧结形成微孔板/面。当压缩气体经过微孔板/面 时，被其上的微孔切割成细小的气泡，如图 10所示。目前，在养殖池塘中，微 孔曝气增氧正逐渐成为推广使用的主要增氧方式之一出19,对其研究和应用已有很多文献。微孔曝气在池塘中产生的气泡约为1030加如21。微孔板/面产生的气泡直径与引气量成正比，引气量越大，气泡直径越大-。谷坚等18研究

12、认为， 在有效水深1.5 m的养鱼池塘中，同等功率配置叶轮增氧机和微孔曝气增氧机 械，叶轮增氧是比微孔曝气更适用于养鱼池塘的增氧方式。随着有效水深的增加， 微孔曝气增氧将表现出一定的优势Ki)球电ML的 力平函咽-1 .用血心 , 1KU6) gN nU去面'先力修氏方程 f-P=字ib)J图10微孔板制造微纳米气泡的原理示意图Fig.10 Principle Sketch of Micro-Nano Bubbles Produced by Micro-Plate2微纳米气泡在渔业的应用情况2.1 水体快速增氧水产养殖池塘中使用微纳米孔曝气， 一方面具有曝气功能，充气时，微纳米 气泡可

13、以将池底的氨氮、硫化氢等有害物质带出水面，净化水质；一方面具有强 大的增氧功能，不仅首先增加了底部溶氧，且随着气泡的向上运动，整个养殖水 体溶氧得到充分供应。同时，池塘底部溶氧的饱和状态更利于底泥表面有机污染 物的及时、充分氧化分解，直接减轻养殖水体的耗氧和淤泥层的形成，全面改善了水体环境23 0研究显示，当颗粒物粒度大于微纳米气泡尺寸时， 粒度越小，携带微纳米气 泡的能力就越强，从而向缺氧环境提供越多的氧气。 较低频率的超声波作用可以 加速微纳米级气泡的合并破裂，将气体的释放量提高 20%30%,而溶液中气 体含量达到最大值所需的时间也因超声波作用提高了 25%40%24。2.2 水体修复和

14、净化采用微纳米气泡进行水体修复是目前国际上的前沿科技。大量研究表明，溶 氧的增加与保持、底泥有机污染物的降解、底泥的无机化与保持是水体修复的关 键。微纳米气泡因其直径变小，比表面积增大，增加了与水的接触，气泡的表面能、气液界面上氧分子所占的比例、 气泡的寿命等都会大幅度增加，各种反应速 度也相应增加，氧传质大大提高25 0微纳米气泡对河道水体进行修复和净化，能有效增加水体溶氧含量，降低底泥污染物含量26-29。另外，微纳米气泡也应用于地下水原位修复的研究中，据报 道，臭氧纳米气泡能提高臭氧在水体中的溶解传质效率，加快水体溶解臭氧浓度上升速度，提高溶解臭氧浓度峰值，并延长臭氧在水体中的滞留时间；

15、同时，臭 氧微纳米气泡有利于有机污染物的氧化降解，可降低反应所需的浓度阈值，且在酸性条件下，降解效率更高30 0在植物浮床根系进行曝气可以提高植物根系硝化细菌的数量和活性，增强氨氮等的去除效果-320研究者采用微纳米气泡和植物浮床结合对水质净化进行研 究33,结果表明，采用微纳米气泡浮床比无曝气的浮床对水体 COD-TX、'%- N和TP去除率分别提高19.95%、13.35%、21.72%和18.20%。然而微纳米曝 气的富氧环境不利于nL-n的去除。研究发现，微气泡的上升速度随着气泡直径的减小而减小，当直径接近3小m时，其上升速度近似于0;而当小于3 pm时，气泡反而以1 m/h的

16、速度下 降26。这一特性可以增长气液的接触时间，提高增氧动力效率，另一方面也可以 通过下沉的方式实现向下“浮选”的固液分离。2.3 提高气浮效率液液界面的研究一直以来是学术界的研究热点和难点。固液界面存在纳米气 泡最初来源于人们对表面疏水长程引力的研究。经典热力学理论认为，室温下纳 米气泡是不能稳定存在的，然而众多的试验表明，纳米气泡能长时间存在于固液界面上或水中 25 。相关研究发现，疏水石墨的表面要比亲水的云母表面更利于形成纳米气泡，同时粗糙度越高也越容易形成纳米气泡34 。微纳米气泡在煤炭浮选及微细粒矿物的浮选中有较多的应用， 微纳米气泡和气核对煤炭或矿物疏水表面的相互作用是浮选的关键因

17、素， 气泡间桥力作用可以促进煤炭颗粒的黏结， 当煤炭或矿物颗粒表面附着有微纳米气泡时， 煤炭颗粒碰撞或贴近， 桥力作用会表现为引力， 从而使小颗粒变成大颗粒， 并且降低煤炭颗粒的密度， 进而进行浮选 35 。循环水养殖系统中， 固体颗粒物主要由有机物的残饵、 粪便等组成， 需要及时去除，尤其是粒径小于30 m的微小固体颗粒物。当其积累过度时不仅容易引起鱼类疾病， 也容易经过氧化分解造成水质污染和消耗水中溶氧， 影响鱼类生存、生长 4 。另外在水产加工废水中也存在大量有机细小颗粒，如漂洗水中可溶性蛋白质的回收利用。 微纳米气泡的导入， 可以大量吸附固体颗粒物， 通过气浮进行有效分离。2.4 渔业

18、船舶减阻微纳米气泡船舶减阻是利用水与空气密度、 黏度的差别， 通过在航行体表面形成薄层气液两相流， 改善船体流体力学性能， 达到减阻的目的。 装置主要由多孔板或内置微细电极的气泡发生装置构成。 由于船的运动， 附着在表面的气泡易被水流冲走， 这就需要气泡不断地产生以保证船体表面有足量的气泡附着从而增加了装置的能耗。采用“被困气泡”减小摩擦阻力的技术，通过将电解气泡装置产生的微纳米气泡困在凹坑中， 从而减少气泡流失量以降低装置运行的能耗， 如图 11 所示。图11 柔性减阻蒙皮的示意图Fig.11 Sketch Map of Flexible Anti-Drag Skin2.5 管道减阻将微纳米

19、气泡应用于流体力学，学术界普遍认为在固液界面的疏水表面存在 边界滑移。而对边界滑移产生的原因目前有两种解释， 一种是认为紧靠固体表层 的液体密度值发生变化引起边界滑移，即当液体密度减小到一定值时，在固液界 面就会出现滑移，且滑移长度值随密度的减小而增大。另一种认为固液界面存在 气体层是引起边界滑移的主要原因， 即边界滑移不是直接发生在固体表面上， 而 是在气体层上网。众多理论分析和试验结果显示，存在于固液界面上的纳米气泡 是产生边界滑移的主要原因。纳米气泡的存在将极大地减少流体与固体墙面或管 道之间的拖曳摩擦力37 o在循环水养殖领域，或其他现代养鱼工厂，或生态池塘 养殖场中，需要经过水泵实现

20、水流的输送，水流在管道中的压力损失很大程度上 是由于水和管道的摩擦。如在管道中存在固液界面的纳米气泡或气层， 将极大地 减少沿程压力损失，从而提高水泵效率和节约能耗。2.6 治疗和预防鱼病氧气纳米气泡可以通过形成一种新的药物输送系统，按照指定的要求将药物38或者基因进行传或基因送到目标区域，再利用超声设备将气泡打破，释放药物染39。报道显示，研究者使用等离子纳米气泡（PNB）作为细胞探针进行癌症的治 疗诊断等 40 。另外，药物的溶解性是影响药物生物利用度的重要因素之一，难溶性药物因在水中的溶解度小， 难以被机体吸收， 以致生物利用度差。 相关研究认为， 纳米气泡的存在， 降低了疏水颗粒在水体

21、或其他分散剂中的分散性和稳定性，而通过脱气等方法去除水体中溶解气体及难溶性药物颗粒表面的气体， 并抑制纳米气泡在疏水颗粒表面的附着， 就能得到分散度好、 稳定性高的难溶药物的分散体系 41 。此外，也有采用微纳米气泡针对农作物病害方式的研究，如喷施微纳米气泡臭氧水防控番茄气传病害的研究表明，当臭氧水浓度达到 1.86 mg/L 和2.21 mg/L 、接触时间为 5 min 时，其对浓度为 107数量级的孢子悬液的杀灭率可达94.7%和99.08% ;而在0.61.8 mg/L时，微纳米气泡臭氧水对番茄生长没有显著的负作用 42 。因此，未来的鱼病治疗和预防可以考虑采用微纳米气泡的方法进行研究

22、。 如将病鱼浸置在含微纳米气泡的药液中， 或注射带微纳米气泡的药液至鱼体内。2.7 提高饲料等发酵效率微纳米气泡小，比表面积大，上升速度慢，在发酵液中停留时间长，气泡表面能强化表面的氧化反应， 提高细菌对氧气的利用率， 因此采用微纳米气泡技术是一种解决好氧发酵过程中供氧问题的新思路43 。资料显示，采用含有纳米气泡的水配制的营养基培养枯草芽孢杆菌 DL 、 静置 36 h 后， 菌体的细胞密度提高了51.1% ; 210 r/min 培养48 h后，r-聚谷氨酸的产量从33.92 ±1.55 g/L提高到37.21 ± 0.39 g/L 44。因此，水产饲料加工、有氧发酵工

23、艺中可以考虑采用微纳米气泡技术。2.8 微纳米气泡清洗油污微纳米气泡具有比表面积大、 水力停留时间长、 自我加压、 溶解消失等特点，富含微纳米气泡的水作为清洗剂可以实现清洗的目的。 同时， 微纳米气泡作为清洗剂本身不需要添加其他物质， 不会带来二次污染， 并且可以回收再利用。 研究显示，采用微纳米气泡技术对金属工件进行脱脂处理，在清洗液水温为4550 、浸泡时间为 5 min 时，微纳米气泡对含费油和切削油的工件，不需要配合其他脱脂工艺，仅通过浸泡就能起到明显的脱脂效果45 。因此，微纳米气泡在鱼池清洗及表面油污的去除方面同样可以起到很好的作用效果。2.9 促进生物生长微纳米气泡技术在农业无土

24、栽培领域有广泛的应用。 研究显示， 在相同条件下，经溶氧浓度为 45 mg/L 的充氧微纳米气泡纯净水处理的叶菜种子发芽率、发芽势及活力指数均比普通纯净水处理的种子有显著提高， 其中发芽率小白菜提高 14% ， 生菜提高 44% ； 发芽势小白菜提高25% ， 生菜提高 62% ； 活力指数小白菜提高 130% ，生菜提高 135% 。显然，氧气微纳米气泡的使用，提高了水中溶氧的利用效率， 对种子萌发具有促进作用， 有利于缩短叶菜的发芽周期并提高发芽品质46 。另外，在水产养殖中，研究显示经过微纳米气泡5 个月的养殖后，牡蛎的体积明显大于正常养殖2 年的牡蛎 44 。2.10 促进鱼糜去色净白采用微纳米气泡不仅可以提高臭氧在水中的传质， 还能强化臭氧的氧化能力。研究表明， 相同进气流量下， 臭氧在微纳米气泡系统中的传质系数和利用率是鼓风曝气系统的1.62.7倍和2.33.2倍，染料在微纳米气泡系统中的脱色速率和矿化率均高于鼓风曝气系统47因此，在水产加工领域，如鱼糜生产过程中的净白工艺可以采用类似的微纳米气泡技术进行去色处理。2.11 微纳米气泡节油器据资料， 日本研发的微纳米气泡节油器， 在内燃发动机燃油管系内形成微纳米气泡。即在0.010.15 MPa压力下，进入燃油气泡粒径仅为9