[科普中國]-鼓泡

鼓泡是一種低能耗的強化傳質(zhì)和傳熱過程的操作，廣泛應用于化工及環(huán)保等諸多領域。鼓泡操作具有設備簡單、操作條件易控制、清洗更換便捷、可實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，與其他曬鹽方法相比更容易實現(xiàn)。

簡介海水淡化技術作為一種解決淡水資源匱乏的有效手段已被廣泛運用于沿海及海島地區(qū)。海水淡化后會副產(chǎn)大量的濃海水，其中含有豐富的鎂、鉀、溴、鋰等礦物元素。濃海水的直接排放不僅對海洋環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，同時還會浪費大量寶貴資源。濃海水濃縮曬鹽是提取海洋資源最直接的方式，并且能減輕直接排放對環(huán)境的不良影響。海水制鹽按原理可分為電滲析法和灘曬法制鹽。海水灘曬制鹽工藝成熟、操作簡單、運行成本低，但是其存在土地利用率低，受天氣影響大，鹽農(nóng)勞作辛苦而利潤微薄等缺點。強化濃海水蒸發(fā)過程，不僅能夠增加產(chǎn)鹽量，而且還能增強對氣候影響的抵抗力。目前有多種技術正在研究中，包括降膜蒸發(fā)法、太陽能煙囪法、超聲波法、鹵蟲法、碳納米管法。但上述方法都有很大的局限性。

鼓泡是一種低能耗的強化傳質(zhì)和傳熱過程的操作，廣泛應用于化工及環(huán)保等諸多領域。鼓泡操作具有設備簡單、操作條件易控制、清洗更換便捷、可實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，與其他曬鹽方法相比更容易實現(xiàn)。陶亨聰?shù)仍谥凵搅鶛M島對濃海水鼓泡曬鹽進行了嘗試（圖1），發(fā)現(xiàn)鼓泡法的日海水蒸發(fā)量是傳統(tǒng)曬鹽日蒸發(fā)量的1.5～2.25倍。并且，濃海水鼓泡蒸發(fā)需要選擇適宜的氣候條件，日照強度越高，環(huán)境濕度越低，蒸發(fā)速率越快。通常每天12點至15點這段時間最適宜鼓泡曬鹽，在其他時段鼓泡曬鹽效果不佳。120m2的濃海水鼓泡曬鹽實驗池中每小時最多可蒸發(fā)掉240kg水，比傳統(tǒng)曬鹽對照池的蒸發(fā)水量多出約120kg。1

鼓泡效率影響因素濃海水淺灘鼓泡過程是氣泡從生成到破裂的過程，按運動狀態(tài)可劃分為3個階段：氣泡上升、氣泡漂浮以及氣泡破裂。在上升階段，氣泡不僅帶走一部分的水蒸氣，還影響氣泡群在液面上的漂浮和分布。在漂浮階段，氣泡群的漂移不僅增大氣液接觸面積，還會引發(fā)氣泡聚并和破裂。在破裂階段，小液滴數(shù)量對蒸發(fā)過程有顯著影響。事實上，在傳統(tǒng)鼓泡設備中，氣泡尺寸是決定水流與氣泡之間的各種相間作用力大小的關鍵參數(shù)，實驗研究表明不同的氣泡尺寸會產(chǎn)生諸如氣含率分布、湍動結構等方面的差異。此外，氣泡的直徑會對破裂后產(chǎn)生的液滴數(shù)量產(chǎn)生影響。

為此，對上述過程及影響因素進行了比較全面的研究，并且優(yōu)化了液位、鼓泡口間距、單孔氣量等操作條件。文中將直徑大于5mm的氣泡稱為大氣泡，直徑小于5mm的稱為小氣泡。此外，本文使用自制的鼓泡發(fā)生器，該發(fā)生器結構類似于燒結板，但是單個發(fā)生器中出氣口個數(shù)無法確定，故文中表述使用氣量而非表觀氣速。

1、漂浮氣泡群分布的影響因素

鼓出的氣泡在液面漂浮時呈半球狀，其氣液傳質(zhì)面積是所覆蓋面積的2倍。由此可知，鼓泡池表面漂浮的氣泡所增加的蒸發(fā)面積是提高濃海水蒸發(fā)量的主要影響因素之一。然而，不僅氣泡的尺寸會影響蒸發(fā)面積，鼓泡口深度、相鄰兩鼓泡口的干擾以及鼓泡陣列中的氣體分布同樣會顯著影響氣泡在液面的覆蓋面積。

（1）單鼓泡群分布規(guī)律

實驗發(fā)現(xiàn)，大氣泡是單個依次垂直上浮至液面后散開，而多個同時鼓出的小氣泡在上浮階段就呈菊花狀散開，因此在小氣泡發(fā)生器正上方液面無小氣泡分布。

大氣泡與小氣泡在其他操作條件相同情況下均隨著氣量的提高，氣泡群在液面的覆蓋面積增加。同時可知，深度變化對覆蓋面積的影響比氣量變化更為顯著。當氣量相同時，大氣泡與小氣泡群的覆蓋面積均隨著鼓泡口深度的上升而增加，然而當大氣泡的鼓泡口深度大于12cm和小氣泡的鼓泡口深度大于8cm后覆蓋面積增幅趨緩。但是在相近的覆蓋面積下大氣泡所需的鼓氣量幾乎是小氣泡的5倍，所以從鼓氣量的角度考慮小氣泡更適合鼓泡過程。由于小氣泡在液位高于8cm后小氣泡之間由聚并狀態(tài)開始發(fā)散，因此將小氣泡鼓泡池深度選在8cm最為合適。

（2）相鄰氣泡群分布規(guī)律

兩相鄰鼓泡口所鼓出的氣泡相互之間作用會影響氣泡的流動與破裂，從而會影響氣泡在液面的覆蓋率。本文將兩個自制小氣泡發(fā)生器均設置于深度為8cm處，在0.8L·min-1氣量下調(diào)節(jié)鼓泡口間距，以及將鼓泡口設置于深度為12cm處，在4L·min-1氣量下調(diào)節(jié)鼓泡口間距，考察孔間距對氣泡覆蓋面積的影響，在間距為2cm時由于兩鼓泡口所鼓出的氣泡群相互影響，兩氣泡群間發(fā)生聚并現(xiàn)象，氣泡群覆蓋面積處于最低值。大氣泡與小氣泡均隨著鼓泡口間距的擴大，其覆蓋面積增大。大氣泡當孔間距擴大到14cm處后，兩鼓泡口所鼓出的氣泡群相互獨立，氣泡群間的聚并現(xiàn)象不再發(fā)生，之后隨著間距的擴大，氣泡覆蓋面積不再增加。而小氣泡相鄰兩孔間距擴大至12cm處后，氣泡的覆蓋面積不再隨著間距的擴大而增加。綜上可知，大氣泡雙孔鼓泡在4L·min-1氣量下，孔間距設置為14cm為宜；小氣泡雙鼓泡口在0.8L·min-1氣量下，孔間距設置為12cm最適宜。

3、鼓泡陣列中氣泡群分布規(guī)律

當鼓泡口深度保持8cm，鼓泡口間距為12cm時，考察了大氣泡和小氣泡分布在平均孔氣量為0.1、0.4、1、2 L·min-1時氣泡的覆蓋情況。當平均鼓泡口氣量在0.4L·min-1時，大氣泡群的覆蓋率僅有0%～60%，氣泡群之間有很大的空隙。相比較而言，小氣泡除鼓泡口上方?jīng)]被覆蓋外，其他區(qū)域均被完全覆蓋，覆蓋率可達80%～90%，且氣泡之間排列密實并存在堆積現(xiàn)象。當氣量升至1L·min-1之后，氣泡的聚并與更新速率加快，液面的波動更加劇烈，大氣泡的覆蓋率降低至30%～40%，小氣泡的直徑變大，覆蓋率降低至不足80%。當氣量降至0.1 L·min-1時，氣泡的聚并和更新速率降低，液面的波動減緩，大氣泡群覆蓋率降低至20%～30%，小氣泡群的覆蓋率降低至不足70%。從增大鹽田液面覆蓋率的角度出發(fā)，小氣泡群更適合于鼓泡過程，且氣量在0.4L·min-1時最為合適。

2、液滴的濺射

鼓泡曬鹽期間，在鼓泡池液面上高度不足40cm的下方，從特定的角度觀察到了彩虹現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明氣泡在破碎過程中迸射出大量的微小液滴。實驗期間測量鹽池上方的風速基本保持在3～4級，通過計算鹽池當中液位的降低與波美度升高數(shù)據(jù)，說明迸射出的小液滴基本沒有被風刮走。氣泡迸射出大量的小液滴，使表面蒸發(fā)變?yōu)榱Ⅲw蒸發(fā)。

通過對六橫島的實驗數(shù)據(jù)進行估算，認為鼓氣量對蒸發(fā)量的貢獻率不足10%，氣泡漂浮對蒸發(fā)量的貢獻約50%，推測剩余約40%包含了液滴濺射的貢獻率。

（1）液滴的濺射現(xiàn)象

圖2為氣體流量控制在2L·min-1，1mm單鼓泡口鼓出的氣泡群漂浮在液面泡破裂后，所濺射出的小液滴的圖像。

從圖可以看出，液滴在空中的運動軌跡呈拋物線形，拋物線的長短可以看出液滴的濺射速度有明顯不同，拋物線越長速度越快，反之亦然。此外，液滴的濺射角度各異，其受到氣泡破裂點、液面擾動、風力、風向等因素的影響。由圖(b)和(c)可知，液滴的運動軌跡線粗細差異較大，說明迸射出的液滴直徑大小不一。液滴濺射高度主要集中在10～20 cm范圍，極少數(shù)達到20 cm以上。曬鹽期間所觀察到的彩虹現(xiàn)象出現(xiàn)在40 cm以下，是由于曬鹽期間氣泡直徑可以達到20cm，而在小的鼓泡池中氣泡直徑最大不超過5cm。以此推斷，濺射的高度可能與氣泡的大小有一定關系。

（2）氣泡大小對液滴數(shù)量的影響

顯然單位面積的鼓泡池中濺射的液滴數(shù)量越多越有利于提高蒸發(fā)速率，為了考察氣泡大小對液滴數(shù)量的影響，在鼓泡池液面以下10cm處設置了一個鼓泡口，通過改變鼓泡口結構調(diào)節(jié)鼓出氣泡的平均直徑分別為2、10、15mm，并且調(diào)節(jié)鼓氣量將氣泡在液面的覆蓋面積控制在約100 cm2。當氣泡直徑在2mm時，生成的小氣泡數(shù)量最多，這些小氣泡破裂后所迸射出的液滴數(shù)量遠多于氣泡平均直徑為10mm和大于15mm時所迸射出的液滴數(shù)量，氣泡平均直徑為10mm時氣泡破裂后所迸射出的液滴數(shù)量多于平均直徑大于15mm時所迸射出的液滴數(shù)量。在相同的覆蓋面積下，小氣泡的個數(shù)遠多于大氣泡的個數(shù)，并且小氣泡的壽命短，更新速率比大氣泡快。同時，小氣泡覆蓋100cm2的液面所需的氣量為0.4L·min-1，而大氣泡覆蓋100cm2的液面則需要氣量為2L·min-1。因此，小氣泡能夠顯著增加液滴噴射的數(shù)目，提高蒸發(fā)速率。此外，氣泡的大小對液滴的直徑也存在影響。

（3）小氣泡群對蒸發(fā)過程的影響分析

與大氣泡群相比，小氣泡群的產(chǎn)生所需壓力更高，氣量更低，氣泡群在液面分布更廣，小氣泡的壽命更短，釋放出的小液滴數(shù)量顯著增多，這將產(chǎn)生合理效應：小氣泡群更能帶動周圍液體的環(huán)流，由于鹽田液位深度一般不高于10cm，與傳統(tǒng)鼓泡裝置的高徑比差異非常大，對于淺池鼓泡過程的環(huán)流目前國內(nèi)外研究甚少，通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)，盡管鼓泡過程中液位只有8cm，但小氣泡群在上升階段能夠呈現(xiàn)菊花狀分布，并且小氣泡群在液面上分布更廣，說明小氣泡群在上升過程中明顯帶動了周圍液體的環(huán)流，環(huán)流推動小氣泡向更廣的范圍擴張，環(huán)流的產(chǎn)生對于濃海水淺灘鼓泡蒸發(fā)過程而言，可以強化對流傳熱過程。

小液滴在濺射過程中與空氣之間進行了快速的物質(zhì)與能量交換，從空氣中吸收了大量的熱，并釋放出大量水蒸氣，這將導致濃海水蒸發(fā)過程中所吸收的熱量主要來自于高溫地面空氣的熱量而不是直接的太陽光能。環(huán)境空氣的溫度、干濕度和流通速度對濃海水鼓泡蒸發(fā)過程的影響將變成主要的影響因素。12

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

宋春霖 - 副教授 - 江南大學