微／纳米气泡技术在金属表面脱脂处理中的应用研究
发布日期：2022/2/15 16:41:55 访问次数：250
微／纳米气泡是指直径在0．1～50μm的微小气泡。直径小决定了其具有大的比表面积，且气泡在水中的停留时间长，而微／纳米气泡有别于其他直径大小的气泡的地方在于，在0．1～50μm直径范围内的微／纳米气泡本身具有自我加压、溶解消失以及表面带负电等特殊性质，在工业、农业、环境等相关领域拥有广泛的用途。例如，利用其比表面积大等优点进行更高效的矿石浮选；将其附着在管道内表面和液体界面之问，可提高液体的边界滑移、减少流动的粘滞阻力而进行更节能的管路输送；利用其高的溶氧能力，减少和防止“水华”，为水质净化提供更环保、有效的方法；利用其破裂时的能量释放对癌细胞的作用，探索更高疗效的医疗技术；利用其产生和溶解消失过程中的低音频率对人体脑内啡产生的作用，并配以超微氧气泡，开发可以令人愉悦、养颜的微/纳米气泡浴。
1 微／纳米气泡技术的发展历史
早在19世纪，研究者们就已经利用流体力学和物理学开始了对于毫米级气泡在液体中生成、上升过程的研究。1950年前后，在化工领域开始了对气泡和液滴的研究。其后，两相流的气一液、液一液，特别是气一液分散相的基础现象的研究成果，极大地促进了化工机械的大规模应用。气泡的微细化是化学工业中促进物质移动，增进化学反应速度的关键技术，但在当时尚未出现能够应用于化工领域的微／纳米气泡发生技术和手段。微／纳米气泡发生技术是20世纪90年代后期产生的，21世纪初在日本得到了蓬勃的发展，其制造方法包括旋回剪切、加压溶解、电化学、微孔加压、混合射流等方式，均可在一定条件下产生直径在30～50μm的气泡。由于微／纳米气泡产生时通常都水中，所以把含有大量直径在30～50μm的气泡的水称为微／纳米气泡机能水，见图1。这种微／纳米气泡机能水因含大量的微／纳米气泡而产生很多独特的特性。
2 微／纳米气泡的特性
2．1 具有上升速度慢的效果
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1／2 000。
2．2 具有自身增压的效果
通常微／纳米气泡内部的压力远远大于外界液体的压力，可以将更多的气泡内的气体溶解到水中，并伴随有自身溶解消失的现象。
2．3 具有超常的气体溶解能力
相对于微／纳米气泡的体积，其比表面积非常大，具有超常的气体溶解能力。直径10μm的气泡同直径1mm的气泡相比，考虑气泡内部压力及比表面积的效果，前者的气体溶解能力为后者的100倍；如果考虑气泡的上升速度的影响，理论上有20万倍的气体溶解能力。
2．4 悬浮物的吸附效果显著
微／纳米气泡的表面带有负电荷，对水中污染物或悬浮物的吸附效果显著。由于微／纳米气泡不但具有微小气泡的共性，即比表面积大，在水中停留时间长，还因其具有自我加压、溶解消失的特点，使其在与界面科学有关的领域蕴含着巨大的应用潜质。而清洗工程从一定意义上讲，就是解决清洗剂与污垢的接触问题，所以根据清洗经验，预期富含微／纳米气泡的水可以作为一种新型的，有效的清洗剂，在清洗行业得到应用。
3 微／纳米气泡发生装置原理介绍
旋回式气一液混合型微／纳米气泡发生技术是国际发明专利技术，目前已申请中国、日本、韩国、欧洲、美国的专利保护，并均已授权。该技术是按照流体力学计算为依据进行结构设计的发生器(图2)，在进入发生器的气一液混合流体在压力作用下高速旋转(图3)，并在发生器的中部形成负压轴，利用负压轴的吸力可将液体中混合的气体或者外部接人的气体集中到负压轴上，当高速旋转的液体和气体在适当的压力下从特别设计的喷射口喷出时，由于喷口处混合气液的超高的旋转速度与气一液密度比(1：1 000)的力学上的相乘效果，在气一液接触界面间产生高速、强力的剪切及高频率的压力变动，形成人造极端条件。在这种条件下生成大量微米、纳米级气泡的同时，具有打碎聚合分子团，形成小分子团活性水的效果，并能够将小部分水分子电离分解，可以在微／纳米气泡空问中产生活性氧、氧离子、氢离子和氢氧离子等自由基离子，尤其氢氧自由基有超高的还原电位，具有超强氧化效果可以分解水中正常条件下也难以分解的污染物，实现水质的净化。微／纳米气泡在水中的溶解率超过85％ ，溶解氧浓度可以达到l0mg／L以上，并且微／纳米气泡是以气泡的方式长时间(上升速度3m／h)存留在水中，可以随着溶解氧的消耗不断地向水中补充活性氧，为处理污水的微生物提供了充足的活性氧、强氧化性离子团，并保证了活性氧充足的反应时间，由微／纳米气泡处理过的水的净化能力远远高于自然条件下的自净能力。
4 微／纳米气泡技术在脱脂试验中应用的原理说明
金属脱脂的常用方法有有机溶剂脱脂、化学脱脂、电解脱脂、乳化脱脂、超声波脱脂，分别通过溶解作用、乳化作用、皂化作用、机械作用将油污从金属工件上去除。这些方法各有其优缺点，除电解脱脂外均需加入一定的溶剂或助剂，而这些溶剂或助剂溶于水中，虽然可以去除油脂，但是却很难从水中回收。所以，溶剂、助剂和水的消耗是金属脱脂成本的主要组成部分，也是开发节能环保的金属脱脂技术的主要着眼点。微／纳米气泡可以用于金属脱脂处理，主要是因为微／纳米气泡的气一液接触表面积大，加上良好的扩散性和在水中停留时问长，保证_r气泡与油污的高接触面积以及接触概率。而微小气泡的特点也有利于复杂形状金属工件的脱脂处理。图4图解_r微／纳米气泡技术清洗金属表面油脂的原理。气泡首先吸附到油脂及油污表面，再由于气泡的上浮趋势，将油酯及油污从金属表面剥离。含油的气泡上浮至水面，破裂后油脂集中在水面上。整个过程中，不需要添加溶剂，助剂添加量极少，甚至可以不加，节省了大量的化学药剂。同时，由于气泡将油污带到了水面，在水中没有油污残留，所以清洗用水可以回收和重复利用，从而大量节省水源，具有高效、节水、环保的特点。
在采用常规的清洗方法进行金属表面脱脂时，规定的清洗剂质量分数为6．0％ ，而在本实验中，分别在不添加清洗剂，清洗剂质量分数为规定量1／2、1／4、1／20的条件下，对三类工件进行了脱脂实验操作。通过目视、气味、浸润性的比较结果表明：
1)在清洗液水温45～50％ ，浸泡时问为5min的实验条件下，微／纳米气泡清洗方法对于含废油和切削油工件，不需要配合其他脱脂工艺，仅通过浸泡方式就起到明显的脱脂效果；
2)使用 纳米气泡技术对工件进行脱脂处理时，清洗剂的添加浓度仅为规定质量分数的1／2、1／4、1／20，甚至不添加的情况下，仍具有明显的脱脂效果。
6 结论
微／纳米气泡具有比表面积大、在水中停留时间长、自我加压、溶解消失等特点，富含微／纳米气泡的水作为清洗剂应用于清洗行业，在达到清洗目的的同时，清洗剂本身几乎不需要添加其他助剂，环保、可回收。本文在实验室条件下，利用微／纳米气泡对金属工件进行的脱脂实验，初步验证了微／纳米气泡技术在清洗行业中应用的可行性及优越性。可以预见，这种节能、节水、环境友好的新型清洗技术如果在清洗工程上成功应用及推广，将会大幅度的降低清洗行业的施工成本，减少环境污染。
