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超微細氣泡於水處理之應用

一、前言

所謂氣泡(bubble),是指介質中由界面所封包(enclosed)之氣體,根據ISO20480-1記載,氣泡的名稱取決於大小(圖1),直徑小於100 mm 的氣泡稱為微細氣泡 (fine bubble), 其中直徑介於1~100 mm之間的氣泡稱為微氣泡 (microbubble),直徑小於1 mm的氣泡稱為超微細氣泡 (ultrafine bubble)。其產生方式如表1所示,其中,溶氣法可依據用途選擇適當氣體 (例如:空氣、純氧及臭氧…等),以氣泡為載體達成增加溶氧、污染物移除及除臭等目的。



圖1. 氣泡分類與定義 (ISO20480-1:2017) 
 
表1. 氣泡產生方式及原理
 
  
二、超微細氣泡特性

超微細氣泡由於尺寸小,而具有水中存在時間長、質傳效率高、高界達電位及釋放出氫氧自由基等特性。各項特性詳述如下:

2-1 存在時間長

一般氣泡於水體中產生後,會迅速上升至水面並破裂消失;超微細氣泡於水中上升速度緩慢,從氣泡生成至破裂通常可達幾十秒或幾分鐘,且於氣泡上升過程中體積將不斷收縮並於水中溶解消失,如圖2所示,氣泡體積越小上升速度越慢,例如:當氣泡直徑為1 mm時,水中上升速度為6 m/min,直徑為0.01 mm時,水中上升速度為0.003 m/min,後者為前者之1/2000。


圖2. 氣泡於液體中之型態變化



2-2 質傳效率高

當氣泡直徑縮小時,表面張力對氣泡特性影響較為顯著,表面張力對氣泡內部氣體產生壓縮作用,使氣泡體積於上升過程中不斷收縮,氣泡內部壓力隨體積縮小而增加,令更多氣體穿透氣泡界面而溶入水中,最終壓力到達極限而破裂,藉由此特性使微氣泡可於水中氣體含量達到過飽和條件時,仍可維持高質傳效率。

2-3 高界達電位

氣泡之電雙層係由表面帶負電之OH層及其電性吸引帶正電之H3O+層所組成,氣泡體積愈小則界面處產生界達電位愈高,水中帶電粒子之吸附性愈佳。當微氣泡在水中收縮時,帶電離子於超微細氣泡界面上快速濃縮,屆時,界達電位將顯著增加,直至氣泡破裂前於界面處可形成相當高之界達電位。

2-4 釋放出氫氧自由基

超微氣泡破裂瞬間可產生5000 K (4727 °C) 高溫及1800 atm 大氣壓力,在水中釋放出大量氫氧自由基,進而與吸附於氣泡表面之有機氣體發生機械剪切、熱解斷鍵、自由基氧化及超臨界水氧化之物化反應,達到分解及去除水中污染物之目的。


三、超微細氣泡於水處理之應用

基於前述特性,已有許多研究學者及業者將超微細氣泡技術應用於水處理,常見之應用包括廢水中懸浮物之吸附移除 (浮除)、促進難分解有機物降解及增加水中溶氧,提高好氧生物之活性等應用。

3-1 浮除(Flotation) -懸浮固體物移除

利用超微細氣泡移除水中懸浮固體物,藉由氣泡之陷入 (Entrapment)、成長 (Growth)、碰撞(Collision)及黏著 (Adhension)…等機制與液體中懸浮固體接觸形成比水輕的凝集物上浮至液面,達到固液分離之目的 (圖3) (Sokolovic and Miskovic 2018)。研究指出,利用微細氣泡對染整廢水進行浮除,可降低混凝劑使用量 (微氣泡之質傳係數為1.1754 min-1,而一般氣泡之質傳係數為0.7535 min-1),水中COD、色度及油脂之去除效率較一般氣泡分別可提升30%、110%及40% (Liuet et al., 2010)。此外,以超微細氣泡為載體,依據標的污染物特性通入功能性氣體 (臭氧、氧氣或空氣),可提高懸浮固體物移除成效,其中,臭氧微氣泡具有較高界達電位,氣泡間排斥力大,可更有效避免氣泡團聚,進而增加氣泡與顆粒間相互吸引,達成提高浮除效率之目的。

 
圖3. 氣泡與顆粒之作用機制


3-2 污染物降解—化學氧化

化學氧化技術主要利用氧化劑的氧化能力,將水中有機物氧化成二氧化碳及水。超微細氣泡表面帶負電荷,除了可吸附水中污染物或懸浮物以外,還可產生大量氫氧自由基 (圖4),以降解污染物。超微細氣泡於化學氧化之應用分述如下。

圖4. 超微細氣泡產生氫氧自由基之推估機制 (Wanget et al., 2018)



(1) 傳統空氣氧化法

直接利用常溫常壓下空氣所含之「氧氣」為氧化劑,將廢水中溶解性物質予以氧化之反應。研究指出,以短波長UV結合氧氣微氣泡降解甲基橙,氧氣微氣泡加速了185+254 nm波長組別之甲基橙脫色速率,且微氣泡系統之擬二階脫色反應常數為一般氣泡之2.1倍,此外,結合氧氣微氣泡可顯著提升TOC還原效率,若使用氮氣微氣泡,則TOC還原效率小於僅185+254 nm照射之條件 (Tasakietet et al., 2009)。

(2) 臭氧氧化法

利用臭氧取代空氣,使其與廢水中之污染物接觸可有效破壞水中有機/無機污染物,若再結合紫外光進行協同反應,可進一步提高污染物降解速率。研究指出,利用微氣泡加強臭氧氧化模擬染整廢水,微氣泡系統之質傳效率為一般氣泡的1.8倍,染料去除效率為一般氣泡的3.2-3.6倍,微氣泡系統之總有機碳移除效率為一般氣泡系統之1.3倍。(Chuetet et al., 2007)。

(3) 高級氧化法

以微氣泡破裂時產生之氫氧自由基 (‧OH) 為強氧化劑氧化破壞廢水中污染物。Chuetet et al. (2007) 於微氣泡加強臭氧氧化模擬染整廢水試驗過程中,以對苯二甲酸為化學探針監測反應過程中氫氧自由基之濃度,結果顯示,微氣泡系統可產生較多氫氧自由基,有助於降解染料分子。


3-3 污染物降解—生物降解

超微細氣泡應用於污染物生物降解,主要仰賴其優異之質傳性,令空氣 (或其他氣體) 更有效被微生物利用,以提高污染物之生物降解效率。向缺氧區域或傳輸性較差之介質 (黏土層)打入超微氣泡,隨著氣泡內氧氣溶解至水中,可提高水中好氧微生物、浮游生物及水生動物之生物活性,加速其對於水體及底泥中污染物之生物降解 (圖5),達到水質淨化、除臭及污染物降解之目的,微細氣泡已廣泛應用於環境整治領域中。Choi et al. (2009) 利用以皂素為基質之微氣泡懸浮液透過地下傳輸促進好氧生物降解菲 (Phenanthrene),實驗結果顯示,當含有B. cepacia RPH1之懸浮液傳輸至含有濃度為100 mg/kg之菲污染區域時,於反應時間5天內,氧氣含量由20%下降至5%,而菲 (Phenanthrene) 濃度於8天內移除了34.4%,該結果證實以皂素為載體之微氣泡懸浮液促進厭氧環境之生物降解為具有潛力之方法。Eamrat et al. (2020) 利用微氣泡加強供氫脫氮 (Hydrogenotrophic Denitrificatio, HD) 處理地下水,實驗結果顯示,微氣泡可促進HD系統之生物降解,最高脫氮效率可達99%。約有50%之氫氣用於生物硝酸鹽移除,氫氣使用率最高可達1.21 g N/g H2。相較之下,毫米氣泡之利用率低於10%,生物脫氮過程之總氫氣消耗量僅9.9%。


圖5. 超微細氣泡於環境整治之應用 (Lyuet et al.,2019)



綜合3-1、3-2及3-3節所述,超微細氣泡之應用範圍相當廣泛,包括:(1) 強化傳統水處理單元  — 浮除、曝氣及分散、(2) 廢水處理 — 臭氧氧化及提升氧氣傳輸效率及 (3) 生物降解 — 加強低流動性區去之氣體傳輸 (氧氣、氮氣及氫氣...等)、提高營養鹽利用率及增加污染物之生物可降解性。此外,功能性氣體較一般空氣能夠提高處理效率,例如氧氣微氣泡可快速提高水中溶氧促進作植物生長、好氧生物之活性、臭氧微氣泡可氧化水中有機污染物或除臭…等。惟功能性氣體結合微氣泡,需較高設備成本,故需考量現場狀況及所需目的而決定。


參考文獻

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Sokolovic, J. and S. Miskovic, “The effect of particle size on coal flotation kinetics: A review,” Physicochemical Problems of Mineral Processing, Vol. 54, pp. 1172-1190 (2018).

Tasaki, T., T. Wada, K. Fujimoto, S. Kai, K. Ohe, T. Oshima, Y. Baba, and M. Kukizaki, “Degradation of methyl orange using short-wavelength UV irradiation with oxygen microbubbles,” Journal of Hazardous Materials, Vol. 162, pp. 1103-1110 (2009).

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撰寫人:黃聖智
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