（二）低成本纳米气泡技术市场应用潜力

      液体中存在微小气泡，当气泡直径在100μm以下称作微米气泡，直径为100nm以下的气泡称为纳米气泡，每毫升气泡超过2亿个。近20多年来，科学家不仅检测到了稳定的纳米气泡，并且发现了它的许多特殊性质，如超长寿命、表面带电、比表面积大、特殊的生物学效应和传质效率高等。在诸多领域表现出巨大的应用前景，如水处理、农业、工业、清洗、生物医学、养生健康等。由于气泡的体积已经达到分子级别，因而具备了常规宏观大气泡所没有的物理与化学特性，比表面积增加数万倍，可迅速提高水中溶氧度，体积小上升速度慢，可长时间滞留在水中，表面带电荷可吸附水中有机物等特性。与宏观大气泡相比，纳米气泡具有自动收缩特性，随着气泡体积缩小，气泡内部的压力变大，最终产生压坏效应，随之产生高温高压并产生大量的羟基自由基（微纳米气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位）其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物如苯酚。纳米气泡在水中非常稳定，上升速度只有微米气泡的千万分之一，气体保留时间较长，大大超出理论饱和溶解度。氨氮去除效率比传统曝气提高几倍，可降到0.03毫克/L左右。纳米气泡发生装置是一种极为高效的溶气装置，可迅速提升水体溶解氧，经测算纯氧利用率相比其他产品的8倍以上，增氧速度是射流器的3倍，十分适合大需氧量、高溶氧量要求的环境。纳米气泡因其尺寸小，比表面积大，更有利于与物质接触，对于浮选、吸附、传质、化学反应等应用具有显著的优势，特别是对表面疏水的颗粒和污染物具有较强的吸附能力。纳米气泡具备七个方面的特性：1、比表面积增大。在同等体积空气的条件下，气泡数量越多，气泡表面积越大，气泡与水接触的总面积也就越大，各种生化反应也成指数型增加。2、上升速度慢。气泡在水中的上升速度与气泡直径的平方成正比，与宏观大气泡相比，由于纳米气泡的体积已经达到分子级别，其受浮力的影响几乎可以忽略不计，所以可以长时间滞留在水中。例如，当气泡直径1mm的气泡在水中上升的速度为6m/min，而直径10μm的气泡在水中的上升速度为3mm/min，后者是前者的1/2000。如果考虑到比表面积的增加，纳米气泡的溶解能力比一般空气增加20万倍。3、可自动增压溶解。纳米气泡在水中的溶解是一个气泡逐渐缩小的过程，压力的上升会增加气体的溶解速度，伴随着表面积的增加，气泡缩小的速度会变的越来越快，从而最终溶解到水中，理论上气泡即将消失时的所受压力为无限大。纳米气泡具有上升速度慢、自身增压溶解的特点，从而能够极大地提高气体（空气、氧气、臭氧、二氧化碳等）在水中的溶解度。4、表面带电。纳米气泡在水中形成的气液界面对阴离子的吸引力比阳离子大，由此气泡表面常带有负电荷，使得纳米气泡能够吸附水中有机物，也可以起到抑菌等效果。5、产生大量自由基。气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物如苯酚等，实现对水质的净化作用。6、传质效率高。气液传质是许多化学和生化工艺的限速步骤。研究表明，气液传质速率和效率与气泡直径成反比，微气泡直径极小，在传质过程中比传统气泡具有明显优势。当气泡直径较小时，微气泡界面处的表面张力对气泡特性的影响表现得较为显著。这时表面张力对内部气体产生了压缩作用，使得微气泡在上升过程中不断收缩并表现出自身增压效应。从理论上看，随着气泡直径的无限缩小，气泡界面的比表面积也随之无限增大，最终由于自身增压效应可导致内部气压增大到无限大。因此，微气泡在其体积收缩过程中，由于比表面积及内部气压地不断增大，使得更多的气体穿过气泡界面溶解到水中，且随着气泡直径的减小表面张力的作用效果也越来越明显，最终内部压力达到一定极限值而导致气泡界面破裂消失。因此，微气泡在收缩过程中的这种自身增压特性，可使气液界面处传质效率得到持续增强，并且这种特性使得微气泡即使在水体中气体含量达到过饱和条件时，仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率。7、气体溶解率高。纳米气泡具有上升速度慢、自身增压溶解的特点，使得微纳米气泡在缓慢的上升过程中逐步缩小成纳米级，最后消减湮灭溶入水中，从而能够大大提高气体（空气、氧气、臭氧、二氧化碳等）在水中的溶解度。对于普通气泡，气体的溶解度往往受环境压力的影响和限制存在饱和溶解度。在标准环境下，气体的溶解度很难达到饱和溶解度以上。而微纳米气泡由于其内部的压力高于环境压力，使得以大气压为假定条件计算的气体过饱和溶解条件得以打破。

      1、养殖领域：曝气是粪污生化处理的关键环节和耗能大头，一旦能耗降低几十倍，粪污治理成本将下降。同时纳米级气泡对微生物还有特殊的激发作用，可能起到加速生化过程的作用，对猪粪好氧发酵方面也有巨大节能降本空间。该技术可以富氢水生产成本大幅下降，一台设备能喂养一万头猪，比之前设备提高40倍以上，富氢水健康养猪已在十几家有几百头规模养猪厂，用富氢水喂猪，可以确定的是口感风味比土猪肉还好，猪腰猪肝猪肉都用可以清水涮着吃，没有腥臊味，猪肝猪腰无血点，经中检检测，各种风味氨基酸有40%作用的提高。氢是最好的还原剂，而且渗透扩散性最好，能中和新陈代谢产生的自由基，各种炎症产生的应急和延长细胞凋亡。喝富氢水在人群中已经有一定比例了，特别是高血糖和痛风病人反馈非常有效。通过发酵饲料来降低料肉比。饲料充分发酵，把更多的消化过程放到猪的体外。好氧发酵结合厌氧发酵，比单纯的厌氧发酵能让饲料营养释放得更充分，比如更多的小分子肽等等，难点在于好氧发酵极其容易发生霉变。技术正好能解决两个关键点，第一个是低能耗低成本地给好氧微生物提供充足的氧，第二个通过提高6倍臭氧的使用效率，降低臭氧十倍的综合使用成本，用臭氧水对饲料先消杀霉菌病毒，再导入好氧菌种并不断循环加入高含氧的水，充分好氧发酵后再进入到厌氧发酵环节，不仅饲料营养释放充分，发酵时间也可以大幅缩短，在一个罐体中先后完成，设备直接放到养猪厂，发酵后的液体饲料通过管道输送，管道里残余饲料霉变问题也可以用臭氧水来解决，同时臭氧水也可以用于猪场除臭和消毒灭菌，另外猪定时喝一些低浓度臭氧水，对预防口蹄疫和非洲猪瘟有重要帮助。在渔业养殖和牛蛙养殖领域，可以几倍养鱼密度，饲料转化率提高30%，生长周期缩短20%，实现高密度养鱼，同时臭氧水可以防止鱼和蛙病毒细菌感染，废水也可以通过臭氧水高效净化。

     2、种植领域：化肥有机肥是需要在好氧菌作用下转化为根系能吸收的养分，松土、雨水、微纳米气泡水目的都是为好氧菌供足氧，只要稳定持续供足氧气，好氧菌的繁殖死亡被吸收以及过程中分泌胶粘物，本身就能土壤变得蓬松（免深松深耕，松土一项占农田机械动力消耗的46%），蓬松后又让更多空气能进入土壤中，因土壤缺氧相当部分化肥有机肥被厌氧菌还原成甲烷氧化亚氮回到大气中，不仅降低了化肥有机肥的使用率，还大幅增加温室效应。20年前日本资料就宣称水稻增产50%，2019年陈邦林教授取得同样结论，微纳米气泡+有机肥组对比化肥组增产7%，微纳米气泡+有机肥对比有机肥组增产50%。同济大学李攀教授发现微纳米气泡水还能刺激植物生长激素增加。日本资料宣称水培蔬菜，收获期缩短一半。华东师范大学专家示范性稻田表明，通过在灌溉水中加入一定量的纳米气泡，结合不同的组合技术工艺包，水稻的产量可增加30%-50%，农药化肥施用量降低20%。同时，通过回字形微纳气泡扩散水系，将水稻和鸡鸭鹅、鳝虾蟹混养，实现生态混养模式。纳米气泡增氧技术还促进玉米根系生长进而提高玉米和西红柿产量。改善稻田“有氧环境”是提高氮利用率和改善作物生长状态的有效途径。纳米气泡和微米气泡结合的增氧灌溉技术可以通过迅速提高水体的溶解氧含量改善作物根际水气状况，增加对氮素的利用，提高水稻叶片光合能力，促进根系发育和营养吸收，有效增加水稻的有效穗数、总粒数及结实率，显著提高水稻产量。

     3、水处理领域：纳米气泡和臭氧结合，将提高臭氧利用效率4-5倍，可大幅降低自来水臭氧消毒成本。臭氧具有比氯更强的氧化消毒能力，不但可以较彻底地杀菌消毒，而且可以降解水中含有的有害成分和去除重金属离子以及多种有机物等杂质，如铁、锰、硫化物、苯、酚、有机磷、有机氯、氰化物等，还可以使水除臭脱色，从而达到净化水的目的。臭氧适应能力强，受水温、PH值影响较小。臭氧适应范围广，不受菌种限制，杀菌效果比氯消毒和紫外消毒效果好。与氯不同的是残余臭氧可以自行分解为氧气，不会产生二次污染。臭氧处理后的水无色无臭，口感好，能改善饮用水品质。为了提高瓶装饮用水的质量和延长保质期，国际瓶装水协会（IBWA）建议采用臭氧处理。在臭氧处理前，瓶装水一般用反渗透、纳滤、超滤去除天然水中99%的有机物，降低臭氧的用量。为提高水质，欧洲、日本和美国均在上个世纪采取了臭氧水处理技术。纳米臭氧气泡用于高难度废水处理，将大幅降低臭氧投资和运行成本，预计可节省60%以上。纳米气泡用于黑臭水体和湖泊藻类治理，可大幅降低曝气能耗成本，同时还能给底泥增氧，原位减少底泥污染物。只用两块太阳能板就能带动设备运行，实现24小时零成本治理。

     4、有色冶炼领域：近几年，利用微细气泡技术成功实现低于150度的条件下提取金属钒，使得钒冶炼的成本大幅度降低，为金属钒的大量应用奠定了技术基础，在微细气泡技术研究和应用方面取得了一定的成绩。纳米气泡用于浮选也有巨大应用潜力。浮选是指采用能产生大量气泡的表面活性剂-起泡剂。当在水中通入空气或由于水的搅动引起空气进入水中时，表面活性剂的疏水端在气-液界面向气泡的空气一方定向，亲水端仍在溶液内，形成了气泡；另一种起捕集作用的表面活性剂(一般都是阳离子表面活性剂，也包括脂肪胺)吸附在固体矿粉的表面。这样在浮选过程中气泡就可能把指定的矿粉带走，达到选矿的目的。纳米气泡大致比微米气泡小2-3个数量级，可提高颗粒与气泡的碰撞和附着概率，纳米气泡在疏水颗粒上优先生成的天然选择性，碰撞和附着过程合二为一，强化了浮选过程，可以显著提高浮选效率、浮选回收率和精矿品位，大大简化选矿工艺流程，减少选矿药剂用量，减少设备投资，降低维护和运行费用，已经在国内外不同矿物上得到广泛应用。“纳米气泡”浮选柱技术具有无与伦比的优越性和突破性，能够有效解决粗颗粒、细颗粒难浮选难题，彻底打破尾矿难回收的技术瓶颈，帮助矿山企业快速实现降本增效，前景十分广阔。电解金属如能把氢气变成微纳米气泡分散到电解液中（几十万倍扩大表比接触面积），通电后如果能置换出金属，或许是氢低碳冶炼最佳方案之一。

      5、食品领域：在食品领域，存在消毒剂残留问题，以及由于其清洗造成的废水处理问题。另一方面，由于气泡的粒径和浓度均可以控制，可利用对人体无害的臭氧微纳米气泡水在食品出厂前的工序中，进行杀菌消毒，技术在蔬菜等食品出货时的杀菌、清洗等方面有很多应用实例，有助于保障食品的安全和卫生。此外，科研人员正在开展通过利用微纳米气泡的吸附作用，如何保持食品和饮料等香味的研究。带有氮气微纳米气泡的蛋黄酱，它可以防止变质，适合保存，口感也得到了改良，而且低热量。纳米气泡实现咖啡果物理脱果胶，节水90%，节能60%。将调味剂加入微气泡中，将其均匀地散布到食品表面，有效地提味增香。

     6、医疗领域：利用臭氧的超细气泡水的灭菌作用，越来越多地用于医疗器械的消毒杀菌，并且已经证实了对沙门氏菌、大肠杆菌、流感病毒的杀菌效果。目前加拿大的研究团队正在研究验证其对埃博拉病毒的杀菌效果。其机理是，与具有与细菌等相同大小的带负电荷的超精细气泡被细菌吸附，将细菌构成分子的氢离子从羟基自由基中抽出并中和其所带电荷，细菌表面上的突起物消失，细菌无法持续进行生物活动而死亡。在作为药品领域，有望应用于药品输送（DDS）。例如，在脂质体（脂质体是将药物包封于类脂制双分子层内,形成的微型泡囊,脂质体作为药物载体在恶性肿瘤的靶向给药治疗方面极有潜力）内同时放入治疗药剂和超细气泡，并投入进血液，在通过患部时对脂质体施加超声波，脂质体膜破裂，药物可以直接施用于患处。东京医科牙科大学正在展开使用臭氧超细气泡水对牙周病的治疗方面的研究。同时，科研人员正在探索超细气泡水作为医疗用的超声波造影剂的应用可能性。超氧微纳米气泡能促进伤口愈合、消除感染，因此在医疗领域的伤口治疗中有着广泛的应用。其强氧化还原作用可以加速组织修复，同时还可以清除感染，防止细菌繁殖。癌症治疗：以色列特拉维夫大学提出一种利用低强度超声波引爆纳米气泡杀伤肿瘤细胞的非侵入式、无创的癌症治疗方法，并在小鼠体内开展初步实验，取得了积极成果。该疗法或可替代部分肿瘤切除手术。这种治疗方法的核心是使用低能量超声波实现纳米气泡的“受控爆炸”。研究人员向小鼠静脉中注入大小只有盐粒的二千五百分之一的纳米级气泡，随着血液流动，气泡遍布全身。由于肿瘤中的血管是“渗漏”的，气泡也会进入肿瘤中。之后在肿瘤周围施加超声波，气泡体积将膨胀100倍并爆裂，这种“爆炸”会杀伤附近的癌症细胞。在乳腺癌肿瘤小鼠实验中，该疗法可使肿瘤消融并使肿瘤组织分离。在体外乳腺癌肿瘤细胞实验中，经过气泡爆破后，癌细胞活力降至原有的17.3%左右。韩国远红外线协会也发布过实验证明，15分钟内微气泡对大肠杆菌及绿脓菌的消除效果达99.9%；而韩国Dermapro皮肤科学研究所的临床试验表明，微气泡对皮肤痤疮粉刺的改善效果2周可达75%，4周可达83.33%以上的改善率。

     7、船舶减阻领域。由于纳米气泡能耗大幅降低，纳米气泡船舶减阻或许可以快速实现。船舶阻力是船舶能量消耗的主要根源，如果船舶阻力降低了，主机消耗的能量就降低，船舶能源消耗自然就降低了，同时，降低船舶阻力在主机功率消耗不变的情况下，可以显著提高船舶的航行速度。船舶阻力主要包括摩擦阻力、兴波阻力、粘压阻力，其中摩擦阻力要占很多部分。现有相对成熟的降低船舶摩擦阻的技术，主要是在设计船体时，尽可能减小船体上的湿表面积并使船体表面尽量光顺。采用气泡减阻技术的船舶统称为气泡船，气泡减阻技术是把空气通入船底，在船底表面形成流体密度较低的气-水混合两相流，通过改变边界层内流体的结构，以实现降低阻力的效果，来达到节约能源的目的。对大型低速船舶来说，摩擦阻力占总阻力的80%以上，因此减小摩擦阻力是很有必要的，微气泡减阻技术可以很有效的减小摩擦阻力，这在实船试验中已经很好的得到了验证，气泡减阻技术有很大的发展前景。

      8、清洗领域：由于超细气泡可以长时间存在于水中，进行运输保管，所以利用这个特点其工业用途非常广泛。不使用洗涤剂或药品的超细气泡水有望在工业领域用于清洗比如说在聚碳酸酯成形加工制造工艺中，超细气泡水可用于表面附着异物的清洗。此外，对于难以使用表面活性剂或有机溶剂的情况，纳米气泡水也能发挥重要作用。在清洗领域主要的清洗市场是半导体和液晶面板的前工序清洗，另外正在研究用超细气泡清洗代替硅晶片清洗中的药品（剧毒药）。日本将纳米发泡技术用于高速公路服务区的洗手间设施的清洗，目前服务区的覆盖率达到80%。使用微纳米气泡发生器喷洒细气泡水后，进行擦拭清洁，不仅提高了清洁效率，而且用水量大幅减少至以往的1%左右。此外，使用纳米气泡可以将附着在桥梁等结构物上的盐分几乎都可以清洗干净，不仅大幅度降低清洗成本，还延长了道路设备的使用寿命，因此被广泛用于临海地区建筑物附着盐分的清洗去除。作为与清洗领域相近产业，还有液晶、半导体、太阳能电池制造领域，随着晶片的薄膜化，在用超声波进行单片剥离时破损风险增加，因此可使用微纳米气泡水代替超声波，通过微纳米发泡技术在晶片间隙形成的气泡层降低表面摩擦力，使得晶圆片的剥离变得顺畅，有助于提高生产率。
     9、日常生活：纳米气泡清洗果蔬，可有效去除80%的农药残留；用花洒来沐浴，可深层清洁肌肤、细腻排浊，更可有效替代化学沐浴洗剂的使用。纳米气泡用于洗衣机洗碗机燃气热水器等，在洗涤过程中空气在水中转化为亿万级微纳米气泡，渗透衣物纤维。同时通过气泡运动、炸裂，释放巨大能量将污渍剥离。水中如果含有大量的微纳米气泡，就会降低水的透明度，颜色像牛奶一样发白，故微纳米气泡浴又称牛奶浴。纳米气泡在美容领域的应用也非常广泛。它可以深入皮肤组织，促进皮肤新陈代谢，增强皮肤弹性。此外，它还可以有效地清除皮肤毒素、抑制细菌增长，具有显著的美容效果。

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                   2024年3月7日