微納米氣泡水的制備及其清洗性能研究

賈真 王霏霏

（浙江電商檢測有限公司, 浙江 杭州 311100）

摘要：通過增壓-溶氣-剪切-釋氣的方法制備了微納米氣泡水，在操作壓力0.6MPa和進氣量40mL/min下能較好地制備氣泡水，通過激光粒度儀對微納米氣泡粒徑進行了表征，峰值粒徑主要分布在40μm。同時，對微納米氣泡水的溶解氧含量、余氯去除率進行了表征，從除菌、去農(nóng)殘和去激素三個方面與自來水進行清洗性能對比分析。結(jié)果表明，微納米氣泡水比自來水對細菌、農(nóng)殘、激素具有更好的清洗效果。

關(guān)鍵詞：微納米氣泡水 余氯 溶解氧 除菌 去農(nóng)殘 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.

第一作者簡介：賈真，工程師，現(xiàn)任浙江電商檢測有限公司檢測實驗部部長，主要從事第三方檢測化學領域研究，電子郵箱jiazhen@51pinkong.com。

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

1 引言

半徑在0.05-25μm范圍內(nèi)的微小氣泡稱為微納米氣泡[1]。微納米氣泡相較于普通氣泡，擁有存在時間長、氣液傳質(zhì)率高、界面電位高、能自發(fā)產(chǎn)生自由基等特點，同時也具有一些獨特的化學特性[1]。目前被廣泛應用于水處理、生物制藥、水體增氧、氣浮凈水等領域，同時在土壤消毒、營養(yǎng)液增氧消毒等領域也展現(xiàn)出了較為良好的應用場景[2-3]。

混有微納米氣泡的水則被稱為微納米氣泡水，當水中微納米氣泡大量存在時，由于光的折射作用，肉眼觀察到的水溶液呈乳白色，俗稱“牛奶水”。微納米氣泡水是一種更具能量的活性水，主要表現(xiàn)在爆炸能和結(jié)合能，這種能量能夠使水分滲透到一些普通水無法滲透到的細小空間[4]，因而具有特殊的清洗效果。

本文從微納米氣泡水的制備、表征展開相關(guān)研究，以自來水為對照組，從除菌、去農(nóng)殘、去激素三個方面考查了微納米氣泡水的清洗性能。

2 材料與方法

2.1、材料與試劑

多菌靈，含量80%，北京為民生物科技有限公司；馬拉硫磷，含量70%，遼寧葫蘆島凌云集團農(nóng)藥化工有限公司；克倫特羅，含量98%，蘇州新耀康生物科技有限公司；草魚肉，市售；生菜，市售；甲醇，分析純，國藥集團；丙酮，分析純，國藥集團；磷酸緩沖鹽溶液，分析純，阿拉??；次氯酸鈉溶液，10%，無錫亞泰聯(lián)合；硫酸錳，分析純，阿拉丁；碘化鉀，分析純，阿拉?。涣蛩?，分析純，國藥集團；重鉻酸鉀，分析純，阿拉?。涣虼蛩徕c，分析純，阿拉丁；PP-碳棒復合濾芯，老板電器。

2.2、儀器與設備

燒杯；量筒；注射器；餐具；移液槍；生物安全柜；菌落培養(yǎng)室；增壓泵，DP-150-700JW-FP，強生；粉碎機，JYS-M01，九陽；納米激光粒度儀，Zetasizer3000HSA，Malvern公司；分析天平，AUW120，島津；液相色譜，LC1220，安捷倫；氣相色譜，8890，安捷倫。

2.3、試驗方法

2.3.1、微納氣泡水表征

2.3.1.1、粒徑分析

將新制備的微納米氣泡水加入到激光粒度儀中，氣泡水通過儀器測試通道后生成粒徑分布數(shù)據(jù)。

2.3.1.2、氣泡水維持時間

用500mL的量筒收集500mL新制備的氣泡水，肉眼觀察取完樣至氣泡消失的時間并記錄。

2.3.1.3、溶解氧含量

取新制備的微納米氣泡水按照GB 7489水質(zhì)溶解氧的測定-碘量法進行測定。以自來水、超濾水、反滲透水作為對照組。

2.3.1.4、余氯去除率

以余氯加標量為2ppm的進水作為原水，制備微納米氣泡水，以（2±0.1）L/min的流速通過折疊PP碳棒復合濾芯，測試進水和出水的余氯含量，計算余氯去除率。以自來水作為對照組。

2.3.2、微納米氣泡水清洗性能測試

2.3.2.1、細菌洗脫能力

將配置好的標準濃度菌液（大腸桿菌）用移液槍滴到餐具上，再將餐具放入生物安全柜自然風干，將餐具倒扣在燒杯上端，并將燒杯接滿氣泡水，浸泡一定時間，取出，再用PBS溶液將餐具上的細菌洗脫培養(yǎng)，再稀釋濃度，測試菌落總數(shù)。

2.3.2.2、農(nóng)殘去除能力

配置濃度＞100ppm的農(nóng)藥溶液，在生菜上加標農(nóng)藥溶液約2ppm，自然風干；將生菜置于燒杯上側(cè)并固定，加標面朝燒杯中心，用水浸泡一定時間，將生菜取出，用粉碎機攪碎，再用丙酮提取農(nóng)藥成分，用氣相色譜儀測試各成分濃度。

2.3.2.3、激素去除能力

配置濃度約100ppm的激素溶液，將肉切成薄片狀，用注射器給肉片注射激素，按（5-10）mg/kg的注射劑量進行；將肉片自然風干（0.5-1）h，取肉片放入玻璃器皿中，用水浸泡一定時間，將肉片取出，用粉碎機將肉片絞碎，對肉中殘留的激素用甲醇進行提取，最后用液相色譜進行成分濃度分析。

2.3.3、數(shù)據(jù)處理

每個項目的試驗取三次平行數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果采取三次試驗數(shù)據(jù)取平均值的方法得出，結(jié)果保留兩位小數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1、微納米氣泡水的制備

3.1.1、操作壓力對微納米氣泡水制備的影響

微納米氣泡水可通過圖1的裝置進行制備。實驗發(fā)現(xiàn)，壓力和進氣量對微納米氣泡水的產(chǎn)生影響較大，其對微納米氣泡水的氣泡濃度和維持時間直接相關(guān)，同時也影響水中氣泡的孔徑，不同壓力下的微納米氣泡水維持時間和氣泡峰值粒徑（占比最大的粒徑）見圖2。

圖1 微納米氣泡水的制備流程

圖2 操作壓力對微納米氣泡水的影響

（進氣量為40mL/min）

從圖2可知，在制備微納米氣泡水時，隨著操作壓力的提高，微納米氣泡水的持續(xù)時間變長，且氣泡水中的氣泡峰值粒徑也逐漸變小，當壓力到達0.6MPa時，持續(xù)時間增加基本趨于平緩，約為140秒，峰值粒徑也趨于40μm，壓力再增加時變化平緩。這是由于隨著壓力的增加，空氣溶解在水中的含量逐漸增加，趨近飽和，當達到0.6Mpa時，溶解阻力加大，溶氣增量變小，通過起泡器釋壓后呈現(xiàn)出肉眼可見較一致的結(jié)果。

3.1.2、進氣量對微納米氣泡水制備的影響

圖3 進氣量對微納米氣泡水的影響

（操作壓力為0.6MPa）

從圖3可知，在制備微納米氣泡水時，隨著進氣量的增加，微納米氣泡水的持續(xù)時間呈現(xiàn)先增長再縮短的變化趨勢；峰值粒徑則呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，零進氣量時，由于水中也溶有部分氣體，在加壓時被壓縮，通過起泡器時也會出現(xiàn)一定濃度的氣泡水，但因氣體含量有限，氣泡水的濃度較低，持續(xù)時間較短，當峰值粒徑測試時，由于持續(xù)時間偏短，錯過儀器的最佳測試窗口，測試時大部分氣泡已集聚成大氣泡被檢出，因此峰值粒徑偏大。從圖中還可知，當進氣量在40mL/min時，能維持較好的微納米氣泡水，此時持續(xù)時間較長，峰值粒徑較小，約為40μm。

3.2、微納米氣泡水表征

3.2.1、粒徑分析

從圖4可以看到，在操作壓力0.6MPa，進氣量為40mL/min的條件下，氣泡孔徑在40μm左右占比最大，約為11%；50μm以內(nèi)的氣泡總占比達70%以上，150μm以內(nèi)的氣泡總占比達99%以上。通過儀器可檢測到最細的氣泡粒徑約為0.04μm，即40nm，其占比約為0.05%；也就是說，該類氣泡水中存在納米級別的氣泡，可能受制于儀器的檢測靈敏度，粒徑更小的氣泡未被檢測出來。

圖4 微納米氣泡水粒徑分布

（操作壓力為0.6MPa，進氣量為40mL/min）

3.2.2、溶解氧含量

從表1可看到，微納米氣泡水的溶解氧含量比自來水、超濾水、反滲透水均有明顯的增加，增加量達30%以上，這說明微納米氣泡具有很強的增氧效果。這是因為微納米氣泡體積小，上浮慢，在水中的停留時間較長，其可以使單位體積內(nèi)氣泡表面積增加[4]，使氣泡中的氧與水的接觸面變大，能夠提高氧的溶解率。微納米氣泡從生成到破裂的過程也使氣泡與水的接觸時間變長，使之更易溶解于水，使水中氧含量增加。

表1：微納米氣泡水與其他水質(zhì)溶解氧含量對比

類別	微納米氣泡水	自來水	超濾水	反滲透水
溶解氧含量 mg/L	10.52	6.98	7.82	8.12
溶解氧增量 mg/L	/	3.54	2.70	2.40
增量百分比 %	/	50.72%	34.53%	29.57%

3.2.3、余氯去除率

表2：微納米氣泡水與無氣泡水對余氯去除率的對比

過水量	原液余氯濃度	微納米氣泡水			無氣泡水
		余氯濃度	余氯去除率		余氯濃度	余氯去除率
0L	2.04ppm	未檢出		100%	0.04ppm	98.04%
1000L	2.04ppm	未檢出		100%	0.10ppm	95.10%
2000L	2.07ppm	未檢出		100%	0.12ppm	94.20%
3000L	2.05ppm	未檢出		100%	0.16ppm	92.20%
4000L	2.03ppm	未檢出		100%	0.20ppm	90.15%
5000L	2.07ppm	0.01ppm		99.52%	0.24ppm	88.41%
6000L	2.03ppm	0.01ppm		99.51%	0.29ppm	85.71%

從表2可看到，微納米氣泡水與無氣泡水相比，對余氯去除率具有明顯的增強作用，氣泡水對余氯去除率幾乎能達到100%，這可能是由于微納米氣泡的存在，氣浮過程中微納米氣泡融合成大分子氣泡，從而使得氣泡壁表面張力下降，融合的氣泡釋放出較大的氣泡結(jié)合能[4]，這種結(jié)合能可以使氣泡能夠與余氯等有機小分子進行結(jié)合，在氣泡炸裂或氣浮至水體表面逸出時將余氯帶出水體，提高余氯去除率。

3.3、微納米氣泡水清洗性能測試

3.3.1、細菌洗脫能力

從表3可看到，微納米氣泡水比自來水對大腸桿菌的的洗脫能力具有非常明顯的提升，其對餐具上的大腸桿菌去除能力是自來水的15倍以上。這可能是由于微納米氣泡在上浮和消散的過程中，氣泡上浮和炸裂所引起的局部區(qū)域的水分子運動加快，使水分子和大腸桿菌間的接觸概率大大提升，從而增加了細菌從餐具上剝離的速度和數(shù)量；而自來水在同等條件下，自來水和大腸桿菌間的相互作用主要為水分子布朗運動引起的相互擴散作用，局部區(qū)域不存在明顯的擾動效果，因此對細菌的去除效果有限。

表3：微納米氣泡水與自來水對大腸桿菌洗脫能力的對比

洗脫方案	微納米氣泡水	自來水
浸泡5min	80.28%	5.15%
溢流浸泡5min	93.37%	5.68%
溢流浸泡10min	98.89%	8.75%

3.3.2、農(nóng)殘去除能力

從表4可以看到，微納米氣泡水比自來水對多菌靈和馬拉硫磷的去除率有一定的提升，其中對多菌靈的去除率效果提升接近1倍，對馬拉硫磷的去除率效果提升為10%左右。這種現(xiàn)象是由于微納米氣泡的爆炸能有直接關(guān)系，但氣泡水對不同農(nóng)藥表現(xiàn)出不同的去除效果，這可能與不同農(nóng)藥在水中的溶解性相關(guān)，多菌靈為結(jié)晶固體，不溶于水；而馬拉硫磷為油狀液體，微溶于水，這就使兩種農(nóng)藥在蔬菜上加標后浸沒在水中時的狀態(tài)不同，多菌靈不溶于水的特性使之在微納米氣泡存在的情況下更容易從蔬菜表面剝離而被去除，自來水較弱的表面接觸效應而去除率較低。而馬拉硫磷微溶于水，在有水存在的情況下，會通過溶解擴散不斷地從蔬菜上解離出來，這從一定程度上削弱了微納米氣泡的擾動效應，從而表現(xiàn)出與自來水對馬拉硫磷去除率相比，整體去除率增量偏小的情況。

表4：微納米氣泡水與自來水對農(nóng)殘去除能力的對比

清洗方案	多菌靈		馬拉硫磷
	微納米氣泡水	自來水	微納米氣泡水	自來水
浸泡5min	39.03%	18.12%	48.37%	34.71%
浸泡10min	44.38%	23.26%	55.89%	45.36%
浸泡15min	52.68%	28.15%	63.36%	51.82%
浸泡20min	57.36%	31.68%	68.42%	57.12%
浸泡25min	62.69%	34.34%	73.98%	62.54%
浸泡30min	68.74%	38.21%	79.86%	70.58%

3.3.3激素去除能力

表5：微納米氣泡水與自來水對激素去除能力的對比

清洗方案	微納米氣泡水	自來水
浸泡5min	13.98%	8.31%
浸泡10min	19.87%	14.25%
浸泡15min	29.67%	23.15%
浸泡20min	32.58%	27.16%
浸泡25min	35.69%	30.48%
浸泡30min	38.73%	32.65%

從表5可以看到，微納米氣泡水比自來水對克倫特羅的去除率有一定的提升，其去除率效果提升為5%左右，但整體去除率偏低，30分鐘浸泡后去除率不足40%，這跟克倫特羅和加標肉質(zhì)的相互作用相關(guān)?？藗愄亓_俗稱“廋肉精”，其加標在肉類上時采用注射的方式，易被肉質(zhì)吸收，通過浸泡清洗，可以把表面的部分剝離掉，大部分被吸收的部分則不易被剝離出來。試驗過程中，發(fā)現(xiàn)肉類物質(zhì)在微納米氣泡水的清洗作用下，肉類上的血水浮沫會被洗出并浮于燒杯上層液體表面，而自來水則無該現(xiàn)象，這應該也是微納米氣泡水的特性導致。

4 結(jié)論

（1）在壓力為0.6MPa，進氣量為40mL/min的條件下，能制備牛奶狀的微納米氣泡水，峰值粒徑約為40μm，該粒徑氣泡占比10.65%，維持時間140秒左右。

（2）微納米氣泡水的溶解氧含量比自來水、超濾水和反滲透水有明顯的提高，溶解氧含量增幅達到30%以上。

（3）微納米氣泡水對余氯去除率幾乎能達到100%。

（3）微納米氣泡水對餐具細菌的洗脫能力比自來水高15倍。

（4）微納米氣泡水相比自來水，對多菌靈的去除率提升約一倍，對馬拉硫磷和克倫特羅的去除率提升分別約為10%和5%。

參考文獻

鮑旭騰,陳慶余,徐志強,等.微納米氣泡技術(shù)在漁業(yè)水產(chǎn)行業(yè)的研究進展及應用綜述[J]. 凈水技術(shù),2016(4):16-22.劉秋菊,熊若晗,宋艷芳,等.微納米氣泡在環(huán)境污染控制領域的應用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2017(3):100-102.薛曉麗,張慧娟,楊文華,等.微納米氣泡技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)領域的應用[J].農(nóng)村科技,2017(8):65-68.石林,夏少華.微氣泡水機理概述及其健康應用[J].科技傳播, 2013(14):189-189, 171.