ISO 24261-22021 细气泡技术.样品表征的消除方法.第2部分细气泡消除技术标准立项发展报告

细气泡技术样品表征的消除方法第2部分：细气泡消除技术标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:FineBubbleTechnology—EliminationMethodforSampleCharacterization—Part2:FineBubbleEliminationTechniques摘要细气泡技术作为一项新兴的跨学科技术，近年来在污水处理、生态修复、农业灌溉、生物医药及精密制造等领域展现出广阔的应用前景。然而，细气泡的粒径分布、浓度及稳定性等关键参数的准确表征一直困扰着相关研究与应用，其中样品制备环节中残留气泡的干扰是影响表征精度的重要因素。为系统解决这一问题，国际标准化组织（ISO）制定了ISO24261标准系列，其中ISO24261-2:2021《细气泡技术样品表征的消除方法第2部分：细气泡消除技术》作为该系列的重要组成部分，为细气泡样品的预处理提供了统一的标准化技术规范。本报告对该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容、应用价值及发展趋势进行全面分析和系统阐述。报告指出，该标准通过对多种消除方法的适用条件、操作流程及效果评价的系统规范，有效解决了细气泡表征中因气泡干扰导致的测量偏差问题，填补了国际细气泡标准化体系中样品前处理领域的空白，对推动细气泡技术从实验室研究向工程应用转化具有重要意义。关键词：细气泡技术；样品表征；消除方法；国际标准；ISO24261；标准化Keywords:Finebubbletechnology;Samplecharacterization;Eliminationmethod;Internationalstandard;ISO24261;Standardization一、引言1.1研究背景细气泡（FineBubble,FB）通常指直径小于100微米的气泡，其中直径小于1微米的气泡又被称为纳米气泡（Nanobubble,NB）。与普通气泡相比，细气泡具有比表面积大、上升速度慢、界面吸附能力强、气体溶解效率高等独特理化特性，能够在液体中长时间稳定存在，这些特性使细气泡技术在众多领域中展现出巨大的应用潜力。在水环境治理领域，细气泡技术被广泛应用于河道修复、污水处理及富营养化水体治理，其高溶解氧效率和强界面活性能够显著提升水体自净能力；在农业生产领域，细气泡水被证明能够促进种子发芽、提高作物产量；在工业清洗领域，细气泡的微射流效应和自由基氧化作用可实现高效无污染的精密清洗；在生物医药领域，细气泡可作为药物递送载体和超声成像造影剂。据统计，全球细气泡相关技术专利已超过万件，市场规模正以年均两位数的速度增长。然而，随着细气泡技术从基础研究走向产业化应用，一个关键问题日益凸显——如何准确、可靠地表征细气泡的粒径分布、浓度、比表面积及稳定性等核心参数？由于细气泡尺寸微小、易受环境干扰，表征结果的重复性和可比性往往不尽如人意。实践中发现，测量样品中残留的环境气泡或已破裂气泡的碎片会严重干扰表征结果的准确性，导致同一批次细气泡水的检测结果在不同实验室或不同时间点出现显著偏差。这一标准化瓶颈已成为制约该技术深入研究和工程应用的关键障碍。1.2标准化的必要性与紧迫性细气泡表征的可靠性问题本质上源于缺乏统一的样品前处理规范。在细气泡产生过程中，除目标尺寸的细气泡外，往往会伴随产生较大尺寸的微米气泡和宏观气泡；同时，在样品采集、转移和储存过程中，因机械扰动和温度变化也可能引入新的气泡。这些非目标气泡与目标细气泡混杂在一起，使得粒径分析仪、纳米颗粒追踪分析仪等表征设备难以有效区分，从而导致测量结果偏离真实值。二、ISO24261标准体系概述2.1标准体系架构ISO24261系列标准由国际标准化组织下设的细气泡技术委员会ISO/TC281负责制定，该技术委员会成立于2013年，专门致力于细气泡技术的标准化工作。目前，ISO/TC281已发布和正在制定的标准涵盖术语定义、产生方法、表征方法、消除方法及应用指南等多个方面，形成了较为完整的细气泡国际标准体系。ISO24261标准系列聚焦于细气泡样品表征中的消除方法，总体架构包括两个部分：第1部分为样品制备中的消除程序，主要规定消除程序的总体要求和通用原则；第2部分即本报告所关注的ISO24261-2:2021，专门针对细气泡消除技术，详细规定各种具体消除方法的技术要求和操作规范。2.2ISO24261-2:2021基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|ISO24261-2:2021||标准名称|细气泡技术样品表征的消除方法第2部分：细气泡消除技术||英文名称|Finebubbletechnology—Eliminationmethodforsamplecharacterization—Part2:Finebubbleeliminationtechniques||标准状态|现行||发布机构|国际标准化组织（ISO）||技术委员会|ISO/TC281Finebubbletechnology||分类号|物理学、化学||发布日期|2021年9月20日||发布年份|2021年||国别|国际组织||语言|英语||版式说明|电子版加密PDF格式，约1分钟可下载，有水印，需安装FileOpen插件，电脑需联网，限制累计3台电脑共打印5次||售价|541.0元|该标准的发布标志着细气泡样品前处理技术正式纳入国际标准化管理轨道，为全球细气泡研究和应用提供了统一的技术依据。三、标准编制背景与技术路线3.1编制背景ISO24261-2:2021的编制工作可追溯至ISO/TC281成立之初的标准化路线图规划。2015年前后，多个成员国在提交的细气泡表征技术提案中均提及样品中干扰气泡对测量结果的影响问题。日本、韩国和中国等细气泡技术研究较为活跃的国家率先开展了消除方法的探索性研究，积累了丰富的实验数据和实践经验，为国际标准的制定奠定了技术基础。2017年，ISO/TC281正式启动该标准的编制工作，成立了专门的工作组（WG），由日本专家担任项目负责人，多国专家共同参与起草。编制过程中，工作组系统收集了各国在细气泡样品处理中的实践经验，整理了不同消除方法的适用性和局限性数据，并通过国际间实验室比对（interlaboratorycomparison）验证了关键消除方法的有效性。经过多轮讨论和修改，标准草案于2020年进入国际标准草案（DIS）阶段，最终于2021年9月正式出版发布。3.2关键技术难点标准编制过程中面临的主要技术难点包括：第一，多方法体系的统一规范问题。细气泡消除方法涉及物理方法、化学方法及其组合方式，不同方法适用范围各异，如何在不影响目标细气泡特性的前提下有效去除干扰气泡是核心技术难点。现有消除技术包括但不限于：静置沉降法、离心分离法、超声处理法、压力调节法、化学消泡法以及多种方法的组合工艺。每种方法对气泡尺寸的适用范围、消除效率及对样品本体的影响各不相同，这给统一技术指标的确定带来了巨大挑战。为此，工作组在广泛收集实验数据的基础上，对各方法的适用边界进行了系统梳理，以"类别+条件+验证"的三维架构构建了方法体系，确保不同场景下均有明确的技术路径可循。第二，消除效果的量化评价问题。如何定量评价消除效果是标准制定中的核心科学问题。传统上仅通过观测气泡数量来评价消除效果，但这种方法忽略了气泡尺寸分布变化和样品均匀性等因素的综合影响。工作组通过引入多参数综合评价体系，将气泡浓度变化率、粒径分布变化、样品稳定性保持等多个维度的指标纳入评价框架，从而实现了对消除效果的科学量化。第三，样品适用性问题。细气泡样品来源广泛，包括超纯水、电解质溶液、表面活性剂溶液、实际水体等多种类型，不同基质对消除方法的选择和效果有显著影响。3.3编制原则该标准的编制严格遵循以下原则：一是科学性，所有技术内容建立在充分的实验验证和理论分析基础上；二是普适性，充分考虑不同国家和地区的技术发展水平与实验室条件差异；三是规范性，条文表述准确严谨，可操作性强，便于实施和验证；四是协调性，与ISO24261系列其他部分及其他相关标准保持良好衔接。四、标准主要内容与技术要点4.1范围与适用领域ISO24261-2:2021规定了细气泡样品表征中用于消除干扰气泡的各种技术的适用条件、操作要求、效果评价方法和结果报告规范。该标准适用于采用静置、离心、超声、压力调节及化学消泡等技术手段对细气泡样品进行前处理的操作流程，适用于水基细气泡样品的处理，其他液体介质中的细气泡样品处理可参照执行。需要特别指出的是，该标准所规定的消除方法旨在去除样品中非目标尺寸的干扰气泡，而非消除目标细气泡本身。在某些表征场景中（如背景空白对照测量），需要对样品中的全部气泡进行彻底消除，此类操作不属于该标准的规定范围，可参照其他相关标准或方法执行。4.2术语和定义标准对以下关键术语进行了规范定义：-细气泡（finebubble）：直径小于100μm的气泡-纳米气泡（nanobubble）：直径小于1μm的细气泡-微米气泡（microbubble）：直径大于1μm且小于100μm的细气泡-消除（elimination）：通过物理或化学手段使气泡从液体中去除或破裂的过程-消除效率（eliminationefficiency）：消除处理后，目标尺寸范围以外的气泡数量或体积浓度与处理前相应值的比率-样品表征（samplecharacterization）：对样品中细气泡的物理化学性质进行定性或定量测定的过程4.3消除技术分类根据标准规定，细气泡消除技术可分为以下主要类别：第一类：自然消除法。利用气泡自身的浮力上升和界面破裂特性，在规定条件下让液体样品静置一定时间，使较大尺寸的气泡自然上升至液面并破裂消失。该方法操作简单、对样品无额外扰动，但处理时间较长，且对较小尺寸气泡的消除效果有限。标准对不同初始气泡浓度条件下的静置时间和液面高度差提出了明确要求。第二类：强制物理消除法。包括离心分离法和超声处理法等。离心分离法利用离心力场中气泡与液体的密度差异，在设定转速和时间的条件下加速气泡上浮聚集，实现快速消除；超声处理法则利用超声波的机械振动和空化效应使气泡界面破裂。标准对不同类型样品推荐的离心参数（转速、时间、温度）和超声参数（频率、功率、处理时长）给出了具体规定，并强调了处理过程中应避免对目标细气泡造成不可逆影响。第三类：压力调节法。通过对样品施加正压或负压的方式改变气泡内外的压差，促使气泡膨胀或收缩破裂，从而实现消除效果。标准对压力调节的速率、幅值和保持时间提出了技术要求，并特别指出该方法的适用性受液体过饱和度和温度的影响。第四类：化学消除法。通过添加特定的消泡剂或表面活性物质，降低气泡液膜的稳定性，加速气泡的聚并和破裂。标准要求使用化学消除法时需评估添加物对后续表征项目的干扰影响，并规定消泡剂用量的控制原则——在足以实现有效消泡的前提下尽量减少引入量。第五类：组合消除法。根据实际需要，将上述两种或多种方法科学组合使用，以达到更优的消除效果。标准规定组合方法的选取应以消除效率和样品完整性的综合平衡为准则，并对最常用的"静置+离心"组合和"压力调节+超声"组合给出了推荐工艺参数。4.4消除效果评价指标为统一消除效果的评价尺度，标准引入了两个核心量化指标：-消除效率（EliminationEfficiency,EE）：以气泡数量浓度计的消除百分比，按公式EE=（1-C_after/C_before）×100%计算，其中C_before和C_after分别表示消除处理前后的气泡数量浓度。-粒径分布变化系数：用于评价消除处理对样品中残留气泡尺寸结构的影响程度。标准要求消除效率应达到规定的阈值（具体数值依据消除方法类别和后续表征项目确定），且处理前后目标细气泡的性质（如Zeta电位、表面张力等）不应发生显著变化。此外，标准还强调了平行样品测试和空白对照测试的必要性。4.5结果报告要求标准对消除处理的结果报告提出了系统的记录要求，规定的报告内容包括但不限于：样品来源与基质组成、初始气泡浓度和粒径分布特征、消除方法及工艺参数（如静置时间、离心转速、超声功率、压力范围等）、环境条件（温度、压力）、消除效率计算结果、处理前后对照数据、异常现象说明及操作人员信息等。规范化的结果报告为不同实验室间的数据比对提供了统一的基准。五、标准的主要参与单位介绍ISO24261-2:2021的编制工作汇集了来自全球多个国家和地区的专家学者和企业技术人员，其中日本产业技术综合研究所（NationalInstituteofAdvancedIndustrialScienceandTechnology,AIST）在标准编制中发挥了核心作用。日本产业技术综合研究所是日本最大的公共研究机构之一，隶属于经济产业省，总部位于东京，并在筑波科学城设有多个研究基地。AIST在细气泡技术领域拥有超过二十年的研究积累，建有先进的细气泡产生、表征和应用研究平台，其研究团队在细气泡的基础物性研究、测量方法开发和标准化研究方面处于国际领先水平。在ISO24261-2:2021的编制过程中，AIST承担了技术方案草案起草、实验室间比对试验组织、国际协调联络等多项关键任务。AIST的研究人员系统开展了不同消除方法对超纯水、电解质溶液和实际水样中细气泡消除效率的对比研究，为标准中关键技术指标的确定提供了翔实的实验依据。此外，AIST还通过其主导的亚洲细气泡技术合作网络，推动了日本、韩国、中国等国家在该标准技术内容上的共识达成。除AIST外，来自中国计量科学研究院、韩国机械研究院、德国联邦物理技术研究院（PTB）等国家级研究机构的专家也深度参与了标准编制工作，从计量溯源和质量控制的角度为标准技术内容的完善贡献了重要力量。六、标准应用价值分析6.1对细气泡技术研究与开发的支撑作用ISO24261-2:2021为细气泡基础研究和产品开发提供了重要的质量基础设施。通过规范化的消除处理，研究人员可以获得更为准确可靠的粒径分布、浓度和稳定性数据，从而为细气泡产生机理研究、工艺优化和性能评价奠定坚实的数据基础。该标准的实施有助于减少因测量方法不一致导致的无效研究和重复性工作，显著提升研究效率和成果质量。6.2对细气泡产业发展的促进作用在细气泡相关产品的质量控制和市场准入方面，该标准提供了与国际接轨的技术依据。细气泡发生装置制造商可按标准要求对其产品的气泡输出特性进行规范化检测，为产品性能评价提供量化指标；细气泡水的终端用户可依据标准对采购产品进行质量验收，有效保障了商业交易中的质量一致性。随着越来越多的国家和地区将ISO标准转化为本国标准，该标准对消除国际贸易技术壁垒、促进全球细气泡产业健康有序发展将发挥日益重要的作用。6.3对环境监测与生态安全评估的支持作用在细气泡技术应用于水体修复和环境治理的场景中，该标准为环境监测部门评估细气泡处理效果提供了可靠的检测技术支持。通过标准化的样品消除处理，监测人员能够准确分辨细气泡贡献的溶解氧和气泡中封存气体之间的区别，更科学地评价细气泡曝气对水体溶解氧提升的实际贡献，为环境治理效果的量化考核提供了依据。七、结论与展望7.1主要结论ISO24261-2:2021《细气泡技术样品表征的消除方法第2部分：细气泡消除技术》是国际细气泡标准化体系建设中一项重要的基础性标准。该标准基于广泛的科学研究成果和工程实践经验，系统规定了细气泡样品表征过程中干扰气泡消除的技术路径、操作要求和评价准则，有效填补了细气泡标准化体系中样品前处理领域的空白。标准的实施将显著提高细气泡表征数据的准确性、可比性和可重复性，为细气泡技术的基础研究、工程应用和产业发展提供有力的标准化技术支撑。7.2未来展望随着细气泡技术的持续演进和应用领域的不断拓展，细气泡标准化工作也将面临新的需求和挑战。从标准化体系建设的角度看，未来需要重点关注以下几个方向：一是加强细气泡在线监测技术的标准化研究，满足工业化连续生产过程中实时质量控制的需求；二是推进细气泡在不同应用场景（如医疗健康、食品加工、高端制造等）中的