微纳米气泡水的制备及其清洗性能研究

　　微纳米气泡水的制备及其清洗性能研究 

　　贾真 王霏霏

　　（浙江电商检测有限公司, 浙江 杭州 311100）

　　摘要：通过增压-溶气-剪切-释气的方法制备了微纳米气泡水，在操作压力0.6MPa和进气量40mL/min下能较好地制备气泡水，通过激光粒度仪对微纳米气泡粒径进行了表征，峰值粒径主要分布在40μm。同时，对微纳米气泡水的溶解氧含量、余氯去除率进行了表征，从除菌、去农残和去激素三个方面与自来水进行清洗性能对比分析。结果表明，微纳米气泡水比自来水对细菌、农残、激素具有更好的清洗效果。

　　关键词：微纳米气泡水 余氯 溶解氧 除菌 去农残 去激素 清洗效果

　　Preparation of micro-nano bubble water and research of its cleaning performance 

　　Jia Zhen Wang Fei-fei

　　（Zhejiang E-commerce Testing Co., LTD., Zhengjiang Hangzhou 311100）

　　Abstract：The micro-nano bubble water was prepared by pressurization gas, dissolving gas, shearing, releasing gas method under 0.6MPa and the air intake with 40mL/min. The micro-nano bubble particle size were characterized by laser particle size analyzer, and the particle size was mainly distributed in 40μm. Meanwhile, dissolved oxygen content and residual chlorine removal rate of bubble water were characterized. The cleaning performance of bubble water was compared with running water in terms of bacteria removal, pesticide residue removal and hormone removal. The results showed that the micro-nano bubble water had better cleaning effect than the running water on the bacteria , pesticide residue and hormone removal.

　　第一作者简介：贾真，工程师，现任浙江电商检测有限公司检测实验部部长，主要从事第三方检测化学领域研究，电子邮箱jiazhen@51pinkong.com。

　　Keywords：Micro-nano bubble water, Residual chlorine, Dissolved oxygen, Bacteria removal, Pesticide residue removal, Hormone removal,Cleaning performance.

　　1 引言 

　　半径在0.05-25μm范围内的微小气泡称为微纳米气泡[1]。微纳米气泡相较于普通气泡，拥有存在时间长、气液传质率高、界面电位高、能自发产生自由基等特点，同时也具有一些独特的化学特性[1]。目前被广泛应用于水处理、生物制药、水体增氧、气浮净水等领域，同时在土壤消毒、营养液增氧消毒等领域也展现出了较为良好的应用场景[2-3]。

　　混有微纳米气泡的水则被称为微纳米气泡水，当水中微纳米气泡大量存在时，由于光的折射作用，肉眼观察到的水溶液呈乳白色，俗称“牛奶水”。微纳米气泡水是一种更具能量的活性水，主要表现在爆炸能和结合能，这种能量能够使水分渗透到一些普通水无法渗透到的细小空间[4]，因而具有特殊的清洗效果。

　　本文从微纳米气泡水的制备、表征展开相关研究，以自来水为对照组，从除菌、去农残、去激素三个方面考查了微纳米气泡水的清洗性能。

　　2 材料与方法 

　　2.1、材料与试剂 

　　多菌灵，含量80%，北京为民生物科技有限公司；马拉硫磷，含量70%，辽宁葫芦岛凌云集团农药化工有限公司；克伦特罗，含量98%，苏州新耀康生物科技有限公司；草鱼肉，市售；生菜，市售；甲醇，分析纯，国药集团；丙酮，分析纯，国药集团；磷酸缓冲盐溶液，分析纯，阿拉丁；次氯酸钠溶液，10%，无锡亚泰联合；硫酸锰，分析纯，阿拉丁；碘化钾，分析纯，阿拉丁；硫酸，分析纯，国药集团；重铬酸钾，分析纯，阿拉丁；硫代硫酸钠，分析纯，阿拉丁；PP-碳棒复合滤芯，老板电器。

　　2.2、仪器与设备 

　　烧杯；量筒；注射器；餐具；移液枪；生物安全柜；菌落培养室；增压泵，DP-150-700JW-FP，强生；粉碎机，JYS-M01，九阳；纳米激光粒度仪，Zetasizer3000HSA，Malvern公司；分析天平，AUW120，岛津；液相色谱，LC1220，安捷伦；气相色谱，8890，安捷伦。

　　2.3、试验方法 

　　2.3.1、微纳气泡水表征 

　　2.3.1.1、粒径分析 

　　将新制备的微纳米气泡水加入到激光粒度仪中，气泡水通过仪器测试通道后生成粒径分布数据。

　　2.3.1.2、气泡水维持时间 

　　用500mL的量筒收集500mL新制备的气泡水，肉眼观察取完样至气泡消失的时间并记录。

　　2.3.1.3、溶解氧含量 

　　取新制备的微纳米气泡水按照GB 7489水质溶解氧的测定-碘量法进行测定。以自来水、超滤水、反渗透水作为对照组。

　　2.3.1.4、余氯去除率 

　　以余氯加标量为2ppm的进水作为原水，制备微纳米气泡水，以（2±0.1）L/min的流速通过折叠PP碳棒复合滤芯，测试进水和出水的余氯含量，计算余氯去除率。以自来水作为对照组。

　　2.3.2、微纳米气泡水清洗性能测试 

　　2.3.2.1、细菌洗脱能力 

　　将配置好的标准浓度菌液（大肠杆菌）用移液枪滴到餐具上，再将餐具放入生物安全柜自然风干，将餐具倒扣在烧杯上端，并将烧杯接满气泡水，浸泡一定时间，取出，再用PBS溶液将餐具上的细菌洗脱培养，再稀释浓度，测试菌落总数。

　　2.3.2.2、农残去除能力 

　　配置浓度＞100ppm的农药溶液，在生菜上加标农药溶液约2ppm，自然风干；将生菜置于烧杯上侧并固定，加标面朝烧杯中心，用水浸泡一定时间，将生菜取出，用粉碎机搅碎，再用丙酮提取农药成分，用气相色谱仪测试各成分浓度。

　　2.3.2.3、激素去除能力 

　　配置浓度约100ppm的激素溶液，将肉切成薄片状，用注射器给肉片注射激素，按（5-10）mg/kg的注射剂量进行；将肉片自然风干（0.5-1）h，取肉片放入玻璃器皿中，用水浸泡一定时间，将肉片取出，用粉碎机将肉片绞碎，对肉中残留的激素用甲醇进行提取，最后用液相色谱进行成分浓度分析。

　　2.3.3、数据处理 

　　每个项目的试验取三次平行数据，试验结果采取三次试验数据取平均值的方法得出，结果保留两位小数。

　　3 结果与分析 

　　3.1、微纳米气泡水的制备 

　　3.1.1、操作压力对微纳米气泡水制备的影响 

　　微纳米气泡水可通过图1的装置进行制备。实验发现，压力和进气量对微纳米气泡水的产生影响较大，其对微纳米气泡水的气泡浓度和维持时间直接相关，同时也影响水中气泡的孔径，不同压力下的微纳米气泡水维持时间和气泡峰值粒径（占比最大的粒径）见图2。

　　图1 微纳米气泡水的制备流程

　　图2 操作压力对微纳米气泡水的影响

　　（进气量为40mL/min）

　　从图2可知，在制备微纳米气泡水时，随着操作压力的提高，微纳米气泡水的持续时间变长，且气泡水中的气泡峰值粒径也逐渐变小，当压力到达0.6MPa时，持续时间增加基本趋于平缓，约为140秒，峰值粒径也趋于40μm，压力再增加时变化平缓。这是由于随着压力的增加，空气溶解在水中的含量逐渐增加，趋近饱和，当达到0.6Mpa时，溶解阻力加大，溶气增量变小，通过起泡器释压后呈现出肉眼可见较一致的结果。

　　3.1.2、进气量对微纳米气泡水制备的影响 

　　图3 进气量对微纳米气泡水的影响

　　（操作压力为0.6MPa）

　　从图3可知，在制备微纳米气泡水时，随着进气量的增加，微纳米气泡水的持续时间呈现先增长再缩短的变化趋势；峰值粒径则呈现逐渐增大的趋势，零进气量时，由于水中也溶有部分气体，在加压时被压缩，通过起泡器时也会出现一定浓度的气泡水，但因气体含量有限，气泡水的浓度较低，持续时间较短，当峰值粒径测试时，由于持续时间偏短，错过仪器的最佳测试窗口，测试时大部分气泡已集聚成大气泡被检出，因此峰值粒径偏大。从图中还可知，当进气量在40mL/min时，能维持较好的微纳米气泡水，此时持续时间较长，峰值粒径较小，约为40μm。

　　3.2、微纳米气泡水表征 

　　3.2.1、粒径分析 

　　从图4可以看到，在操作压力0.6MPa，进气量为40mL/min的条件下，气泡孔径在40μm左右占比最大，约为11%；50μm以内的气泡总占比达70%以上，150μm以内的气泡总占比达99%以上。通过仪器可检测到最细的气泡粒径约为0.04μm，即40nm，其占比约为0.05%；也就是说，该类气泡水中存在纳米级别的气泡，可能受制于仪器的检测灵敏度，粒径更小的气泡未被检测出来。

　　图4 微纳米气泡水粒径分布

　　（操作压力为0.6MPa，进气量为40mL/min）

　　3.2.2、溶解氧含量 

　　从表1可看到，微纳米气泡水的溶解氧含量比自来水、超滤水、反渗透水均有明显的增加，增加量达30%以上，这说明微纳米气泡具有很强的增氧效果。这是因为微纳米气泡体积小，上浮慢，在水中的停留时间较长，其可以使单位体积内气泡表面积增加[4]，使气泡中的氧与水的接触面变大，能够提高氧的溶解率。微纳米气泡从生成到破裂的过程也使气泡与水的接触时间变长，使之更易溶解于水，使水中氧含量增加。

　　表1：微纳米气泡水与其他水质溶解氧含量对比

　　3.2.3、余氯去除率 

　　表2：微纳米气泡水与无气泡水对余氯去除率的对比

　　从表2可看到，微纳米气泡水与无气泡水相比，对余氯去除率具有明显的增强作用，气泡水对余氯去除率几乎能达到100%，这可能是由于微纳米气泡的存在，气浮过程中微纳米气泡融合成大分子气泡，从而使得气泡壁表面张力下降，融合的气泡释放出较大的气泡结合能[4]，这种结合能可以使气泡能够与余氯等有机小分子进行结合，在气泡炸裂或气浮至水体表面逸出时将余氯带出水体，提高余氯去除率。

　　3.3、微纳米气泡水清洗性能测试 

　　3.3.1、细菌洗脱能力 

　　从表3可看到，微纳米气泡水比自来水对大肠杆菌的的洗脱能力具有非常明显的提升，其对餐具上的大肠杆菌去除能力是自来水的15倍以上。这可能是由于微纳米气泡在上浮和消散的过程中，气泡上浮和炸裂所引起的局部区域的水分子运动加快，使水分子和大肠杆菌间的接触概率大大提升，从而增加了细菌从餐具上剥离的速度和数量；而自来水在同等条件下，自来水和大肠杆菌间的相互作用主要为水分子布朗运动引起的相互扩散作用，局部区域不存在明显的扰动效果，因此对细菌的去除效果有限。

　　表3：微纳米气泡水与自来水对大肠杆菌洗脱能力的对比

　　3.3.2、农残去除能力 

　　从表4可以看到，微纳米气泡水比自来水对多菌灵和马拉硫磷的去除率有一定的提升，其中对多菌灵的去除率效果提升接近1倍，对马拉硫磷的去除率效果提升为10%左右。这种现象是由于微纳米气泡的爆炸能有直接关系，但气泡水对不同农药表现出不同的去除效果，这可能与不同农药在水中的溶解性相关，多菌灵为结晶固体，不溶于水；而马拉硫磷为油状液体，微溶于水，这就使两种农药在蔬菜上加标后浸没在水中时的状态不同，多菌灵不溶于水的特性使之在微纳米气泡存在的情况下更容易从蔬菜表面剥离而被去除，自来水较弱的表面接触效应而去除率较低。而马拉硫磷微溶于水，在有水存在的情况下，会通过溶解扩散不断地从蔬菜上解离出来，这从一定程度上削弱了微纳米气泡的扰动效应，从而表现出与自来水对马拉硫磷去除率相比，整体去除率增量偏小的情况。

　　表4：微纳米气泡水与自来水对农残去除能力的对比

　　3.3.3激素去除能力 

　　表5：微纳米气泡水与自来水对激素去除能力的对比

　　从表5可以看到，微纳米气泡水比自来水对克伦特罗的去除率有一定的提升，其去除率效果提升为5%左右，但整体去除率偏低，30分钟浸泡后去除率不足40%，这跟克伦特罗和加标肉质的相互作用相关。克伦特罗俗称“廋肉精”，其加标在肉类上时采用注射的方式，易被肉质吸收，通过浸泡清洗，可以把表面的部分剥离掉，大部分被吸收的部分则不易被剥离出来。试验过程中，发现肉类物质在微纳米气泡水的清洗作用下，肉类上的血水浮沫会被洗出并浮于烧杯上层液体表面，而自来水则无该现象，这应该也是微纳米气泡水的特性导致。

　　4 结论 

　　（1）在压力为0.6MPa，进气量为40mL/min的条件下，能制备牛奶状的微纳米气泡水，峰值粒径约为40μm，该粒径气泡占比10.65%，维持时间140秒左右。

　　（2）微纳米气泡水的溶解氧含量比自来水、超滤水和反渗透水有明显的提高，溶解氧含量增幅达到30%以上。

　　（3）微纳米气泡水对余氯去除率几乎能达到100%。

　　（3）微纳米气泡水对餐具细菌的洗脱能力比自来水高15倍。

　　（4）微纳米气泡水相比自来水，对多菌灵的去除率提升约一倍，对马拉硫磷和克伦特罗的去除率提升分别约为10%和5%。

　　参考文献 

　　鲍旭腾,陈庆余,徐志强,等.微纳米气泡技术在渔业水产行业的研究进展及应用综述[J]. 净水技术,2016(4):16-22.刘秋菊,熊若晗,宋艳芳,等.微纳米气泡在环境污染控制领域的应用[J].环境与可持续发展,2017(3):100-102.薛晓丽,张慧娟,杨文华,等.微纳米气泡技术及其在农业领域的应用[J].农村科技,2017(8):65-68.石林,夏少华.微气泡水机理概述及其健康应用[J].科技传播, 2013(14):189-189, 171.