CREST | 克兰菲尔德大学Jarvis团队：微气泡及其在臭氧氧化水处理中的优势及应用

导 读

英国克兰菲尔德大学水科学研究院Peter Jarvis团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“微气泡及其在臭氧氧化水处理中的优势及应用（Microbubbles and their application to ozonation in water treatment: A critical review exploring their benefit and future application; 2022, 52(9): 1561-1603）”的综述。

臭氧氧化 (Ozonation) 是一种广泛应用的水处理工艺，利用其溶解后产生的各种具有强氧化性的产物及中间产物可以氧化液体中的各种污染物，因此常应用于污染物的去除以及水的消毒。然而，传统的臭氧氧化工艺中气泡直径在2至6 mm之间，且对能量的要求很高，并且需要较深的反应池来达到所需要的传质及氧化效率。而微气泡的直径位于1至100 μm之间，较小的直径使其具有更高的界面面积和更缓慢的上升速度，从而与液相有着更长的接触时间及接触面积，气相中的臭氧可以更有效地转移到液相（图1）。微气泡可以显著提高体积传质系数，并对稳态溶解臭氧浓度存在积极影响，且与传统气泡相比，微气泡能更快地氧化多类有机化合物。但是相关的研究所采用的反应堆设备可能存在对于微气泡的正向偏差。本研究比较了臭氧氧化水处理过程中微气泡和常规气泡的特性，指出了先前研究中的不足，讨论了未来相关研究要求更公平和更一致的实验比较，并介绍了臭氧氧化中实现且应用微气泡所需要的设备方法条件及步骤。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

气体向液体的转移取决于包括气泡大小及数量在内的混合条件，臭氧转移至液体的速率可以通过液相传质系数k_L来描述，但由于其较难通过实验确定，因此传质速率常用体积传质系数k_La表示。研究证明气泡尺寸的减小会降低浮力，导致上升速度降低，从而延长接触时间，使更高比例的气体保留在液相中，减少尾气损失，增加臭氧的气体利用效率。因此大多数研究结果表明微气泡的传质系数要显著大于传统气泡。此外，臭氧自分解速率、气相和稳态液体浓度、气体流速以及气泡-液体界面物质积聚和气泡表面涂层等因素都会影响整体的传质速率。

在臭氧氧化中，液相较高的pH会通过增强臭氧的自分解速率k_D从而提高了其体积传质系数k_La，但是并未发现相同pH下微气泡与传统气泡下臭氧自分解速率的显著差异。而增加臭氧输入浓度及提高表观气速亦会对微气泡的传质系数存在正向影响（图2）。

图2 pH及表观气速对体积传质系数的影响

与传统气泡相比，微气泡的气体利用效率亦表现出显著优势。现有的研究中得到的微气泡的气体利用效率近乎100%，显著高于同等条件下传统气泡的气体利用效率，这对于减少臭氧损耗及降低尾气处理成本具有重要价值。然而值得注意的是，由于较大的传统气泡在系统中停留的时间要远小于微气泡，使得其中的臭氧可能没有足够的时间转移溶解至液相中，因此使用较浅的反应系统会使结果偏向于微气泡系统，但这也表明微气泡系统存在减少所需设备深度及空间的优点。另有研究证明，与传统气泡系统相比，微气泡臭氧氧化的稳态浓度较高，并且微气泡系统达到稳态的速度要快得多，这说明微气泡系统臭氧氧化去除污染物的效率及能力都比较高，并且维持同等处理所需的臭氧量较少。

基于臭氧的氧化和消毒可以大致分为不饱和有机化合物与臭氧直接反应（图3）及通过自由基间接反应。

图3 典型的臭氧与不饱和有机分子的直接反应

结果表明，在大多数比较中，对于一系列包括染料、药物及其他污染物和微污染物，微气泡过程比常规气泡的反应动力学更快，并且具有更高的去除率，其改善程度取决于化合物对臭氧或羟基自由基降解的敏感性。另外，与气体利用效率的结果相似，较矮的反应堆接触器使得常规气泡的留存时间远少于微气泡，使得对污染物去除率的结果偏向于微气泡系统。

对于微气泡系统，增强臭氧传质的优势主要与比表面积的增加和气泡在水柱内停留时间的增加有关。对比较研究的回顾表明，微气泡为改善现有臭氧氧化系统提供了机会。而对于生产微气泡的方法，最广泛采用的是流体动力学方法，使用湍流、机械剪切、加压溶解和强制气泡分离的微气泡发生器来产生微气泡。随着将微气泡发生器纳入臭氧氧化，反应器配置可能会发生重大变化，这反过来可能会降低几个领域的资本和运营成本，包括化学品消耗、尾气处理、臭氧生成和工厂占地面积等。但这些数据是基于实验室试验的结果，可以考虑直列或测流模式将微气泡发生器与臭氧氧化结合起来（图4）。其中测流模式具有更高的应用潜力。

图4 可能的全尺寸微气泡发生器布置

总结与展望

采用微气泡输送系统与臭氧氧化一起使用，可以提高传质速率和可达到的稳态浓度。而臭氧自分解速率似乎不受气泡大小变化的影响，因此，增强的传质对应于目标化合物降解的改善。有结果表明，在使用微气泡时，可以更有效地处理目前常规臭氧系统降解较差的化合物。然而，这些证据都基于利用浅水深度的实验，这将使结果对微气泡系统产生积极的偏差，这可能不是在所有实际情况下都能实现的。另外可以进行臭氧微气泡与其他化学品和催化剂材料相结合的研究，以促进各种污染物的强化降解，例如，将铁纳米颗粒或粉末活性炭与臭氧微泡相结合，用于催化处理各种有机污染物。因此，建议未来的工作探索水深和微气泡表面涂层的作用及影响，以建立标准化的方法来进行水处理用微气泡臭氧输入系统的比较及选择。

作者简介

第一作者简介：

Alexander John， 英国克兰菲尔德大学克兰菲尔德大学水科学研究院研究生，从事微气泡强化的臭氧氧化水处理研究，已在Chem Eng J和Cri Rev Environ Sci Technol期刊发表论文2篇。

通讯作者简介：

Peter Jarvis，英国克兰菲尔德大学克兰菲尔德大学水科学研究院教授，从事水科学与工程研究，为多家水处理部门/公司提供咨询。目前的研究兴趣集中在使用新的和现有的技术，从饮用水源中去除天然有机物和一系列其他污染物，包括：使用离子交换、新型混凝剂和吸附系统去除天然有机质；与英格兰和威尔士饮用水管理局合作去除饮用水中铅；光催化降解有机物；理解用于饮用的地下水中农药（金属醛）的归宿和迁移；为下一代饮用水处理厂试行新流程；使水处理过程更加稳健和高效；小型水处理方案；可持续和节能的水处理。在Environ Sci Technol、Water Res等期刊发表了近百篇学术论文。

|撰稿：董文杰

|编排：曾镜羽

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