ISO 24218-12023 细气泡技术.细气泡的特性.第1部分用激光衍射法评定尺寸和浓度指数标准立项发展报告

细气泡技术细气泡的特性第1部分：用激光衍射法评定尺寸和浓度指数标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:FineBubbleTechnology—CharacterizationofFineBubbles—Part1:EvaluationofSizeandConcentrationIndicesbyLaserDiffractionMethod摘要关键词：细气泡；激光衍射法；粒径分布；浓度指数；国际标准；表征技术Keywords:Finebubble;Laserdiffractionmethod;Particlesizedistribution;Concentrationindex;Internationalstandard;Characterizationtechnology1引言1.1标准立项背景细气泡（FineBubble），通常指直径小于100微米的气泡，包括微米气泡（1~100μm）和纳米气泡（<1μm），具有比表面积大、上升速度慢、界面吸附能力强及溶解效率高等独特理化特性，在污水处理、河道修复、养殖增氧、精密清洗、矿物浮选、农业灌溉及医疗保健等领域展现出广阔的应用前景。近年来，随着微纳米气泡发生装置的不断迭代和商业化推广，细气泡技术的产业规模迅速扩大，但与之密切相关的检测与评价体系却明显滞后。各设备制造商和检测机构在气泡粒径测量及浓度评价方面采用的方法各异，数据可比性差，严重制约了细气泡技术的市场认可度与国际协作。针对上述痛点，国际标准化组织（ISO）于2017年批准成立了ISO/TC281细气泡技术委员会，由日本产业技术综合研究所（AIST）担任秘书处，专门负责细气泡领域相关国际标准的制定和协调工作。经过近六年的技术讨论和实验室间比对验证，ISO/TC281/WG2工作组整合了激光衍射法在颗粒表征领域的成熟经验，结合细气泡特有的浮升特性和折射率匹配要求，最终完成了ISO24218-1:2023的起草与发布工作。1.2标准定位与意义ISO24218-1:2023是国际细气泡技术标准体系中关于“特性表征”方向的首项正式发布标准，与ISO20480系列中气泡发生与采样规范、ISO24219气泡群浓度测定（粒子计数法）等标准共同构成互补的技术框架。该标准的发布填补了激光衍射法应用于细气泡粒径和浓度评价的国际标准空白，为全球范围内的细气泡设备性能评价、质量控制及科学研究提供了统一的技术准绳。2标准主要内容2.1适用范围与基本原理ISO24218-1:2023适用于采用激光衍射原理对细气泡悬浊液中气泡的粒径分布及浓度指数进行测定和评价的场景。标准所描述的激光衍射法基于夫琅禾费衍射与米氏散射理论：当一束准直激光穿过含有细气泡的样品池时，气泡群对入射光产生散射，散射光的角分布与气泡群的粒径组成密切相关——大气泡在小角度方向上产生更强的散射信号，而小气泡则在大角度方向上产生相对显著的散射特征。通过多元探测器阵列同步采集不同角度上的散射光强分布，并以适当的反演算法（如非负最小二乘法或正则化算法）对原始信号进行数学求解，即可获得气泡群的粒径体积分布及对应浓度指标。该标准不限定特定的商用仪器品牌，对设备的硬件构成和测量光路提出了统一的性能要求，以最大程度保证不同实验室、不同仪器之间的测试结果可比性。2.2关键技术指标-粒径测量范围：0.1μm~100μm。该范围覆盖了微米气泡的主体分布区间，同时下探至亚微米级别以兼顾纳米气泡中较大尺寸端的气泡检测需求。-浓度指数评估：标准规定采用相对浓度指数（RelativeConcentrationIndex）来表征单位体积液体中气泡的数量或体积占比。-折射率设定：标准针对水介质中空气气泡的典型折射率（1.00vs.1.33）给出了明确的参数设定建议，要求测量时准确设置分散相折射率。-遮光度要求：标准建议测量过程中激光遮光度（Obscuration）控制在5%~20%区间。-重复性与再现性：对于中位粒径D50，同一实验室的重复性标准差应不超过3%；不同实验室间的再现性标准差应不超过6%。2.3样品制备与测量流程考虑到细气泡在液体中的稳定性受时间、温度、静水压力及溶存气体饱和度等因素影响，标准对样品采集后至测量完成的时间窗口提出了明确限制，要求取样后应在尽可能短的时间内（建议30分钟内）完成测量。对于含表面活性剂或电解质的气泡体系，标准规定了预处理要求；对于高浓度气泡样品，要求事先进行梯度稀释或调整循环流速以避免多重散射对测量精度的干扰。测量过程中应控制样品温度波动在±1℃以内，同时记录液体介质的温度、pH值、电导率等背景信息。2.4数据处理与报告标准附录中给出了散射光强数据反演粒径分布的具体算法流程建议，并对不同反演算法之间的差异进行了讨论。测量结果应以体积加权粒径分布（或面积加权分布）形式呈现，同时报告D10、D50、D90特征粒径值、跨度值（Span）和相对浓度指数。标准对测试报告的规范格式做出了具体规定。3标准技术特点与对比分析3.1激光衍射法的技术优势在细气泡粒径表征的多种技术路线中，激光衍射法具有以下突出优势：-测量范围宽：单次测量可覆盖0.1~100μm乃至更宽的粒径区间，适应细气泡体系中粒径跨度大的特点。-重复性好：基于散射光空间分布的统计平均原理，测量结果受单颗粒形状和取向影响小。-测量速度快：单次测量仅需数秒至数分钟，可较好地匹配细气泡随时间演变的不稳定性特征。-适用浓度范围广：通过调节光路和稀释倍数，可适应从极低浓度到较高浓度的气泡体系。3.2与相关方法的对比与动态光散射法（DLS）相比，激光衍射法更适用于微米级及以上气泡的粒径分析，而DLS更适合纳米尺度颗粒。与图像分析法相比，激光衍射法在统计代表性上具有显著优势，能够获取数百万颗粒的统计平均结果，而图像分析法的样本量相对有限。ISO24218-1:2023明确规定了激光衍射技术的适用边界和限制条件，包括对多重散射效应及非球形气泡的适用性讨论。4主要起草单位与工作过程ISO24218-1:2023主要由ISO/TC281/WG2工作组主导制定，工作组召集人由日本产业技术综合研究所（AIST）的K.Terasaka教授担任。日本产业技术综合研究所（AIST）是日本最大的公立科研机构之一，在微纳米气泡基础研究、发生装置开发和标准化方面积累深厚。AIST下设的先进制造研究所长期从事气泡动力学与界面科学的基础研究，搭建了微纳米气泡粒径评价的专用实验平台，对激光衍射法应用于气泡体系的折射率修正、多重散射校正等关键技术难点的解决作出了核心贡献。在标准制定过程中，来自中国、德国、韩国、英国等多个国家的专家参与了多轮工作组会议和实验室间比对试验。中国方面，中国科学院相关研究所和国内主要微纳米气泡设备企业积极参与了投票和技术意见反馈。标准草案经过CD（委员会草案）、DIS（国际标准草案）和FDIS（最终国际标准草案）各阶段审议，于2023年1月通过最终投票，同年2月正式出版。5结论与展望ISO24218-1:2023作为细气泡技术领域“表征与评价”方向的核心基础标准，首次以国际标准的形式确立了采用激光衍射法评定细气泡尺寸分布和浓度指数的通用技术规范，填补了该领域的方法学空白。该标准的发布将有效促进不同国家和不同制造商之间细气泡检测数据的互认与比较，为细气泡发生装置的性能评价、产品质量管控及应用效果评估提供权威依据。展望未来，随着ISO/TC281框架下细气泡技术标准体系的持续完善，后续还将陆续发布关于纳米气泡浓度测定（粒子计数法）、气泡发生与采样规范、各应用领域技术导则等系列标准。同时，基于激光衍射法的在线实时测量技术以及机器学习算法在散射光谱反演中的应用，也将成为细气泡表征技术的重要发展方向。中国应在积极推进细气泡技术产业化的同时，深度参与国际标准的制修订工作，将国内先进经验与技术方案融入国际标准体系，提升我国在该新兴领域的话语权与影响力，推动全球细气泡技术标准体系迈向更加成熟和完善的新阶段。参考文献[1]ISO24218-1:2023,Finebubbletechnology—Characterizationoffinebubbles—Part1:Evaluationofsizeandconcentrationindicesbylaserdiffractionmethod,InternationalOrganizationforStandardization,2023.[2]ISO/TC281BusinessPlan,Finebubbletechnology,ISO/TMB,20