鼓泡

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於沿海及海島地區。海水淡化後會副產大量的濃海水，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境產生一定的影響，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，並且能減輕直接排放對環境的不良影響。海水製鹽按原理可分為電滲析法和灘曬法制鹽。海水灘曬製鹽工藝成熟、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，鹽農勞作辛苦而利潤微薄等缺點。強化濃海水蒸發過程，不僅能夠增加產鹽量，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，包括降膜蒸發法、太陽能煙囱法、超聲波法、滷蟲法、碳納米管法。但上述方法都有很大的侷限性。

鼓泡是一種低能耗的強化傳質和傳熱過程的操作，廣泛應用於化工及環保等諸多領域。鼓泡操作具有設備簡單、操作條件易控制、清洗更換便捷、可實現自動化等優點，與其他曬鹽方法相比更容易實現。陶亨聰等在舟山六橫島對濃海水鼓泡曬鹽進行了嘗試（圖1），發現鼓泡法的日海水蒸發量是傳統曬鹽日蒸發量的1.5～2.25倍。並且，濃海水鼓泡蒸發需要選擇適宜的氣候條件，日照強度越高，環境濕度越低，蒸發速率越快。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掉240kg水，比傳統曬鹽對照池的蒸發水量多出約120kg。 ^[1] 

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，還影響氣泡羣在液麪上的漂浮和分佈。在漂浮階段，氣泡羣的漂移不僅增大氣液接觸面積，還會引發氣泡聚並和破裂。在破裂階段，小液滴數量對蒸發過程有顯著影響。事實上，在傳統鼓泡設備中，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，實驗研究表明不同的氣泡尺寸會產生諸如氣含率分佈、湍動結構等方面的差異。此外，氣泡的直徑會對破裂後產生的液滴數量產生影響。

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

1、漂浮氣泡羣分佈的影響因素

鼓出的氣泡在液麪漂浮時呈半球狀，其氣液傳質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面積是提高濃海水蒸發量的主要影響因素之一。然而，不僅氣泡的尺寸會影響蒸發面積，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佈同樣會顯著影響氣泡在液麪的覆蓋面積。

（1）單鼓泡羣分佈規律

實驗發現，大氣泡是單個依次垂直上浮至液麪後散開，而多個同時鼓出的小氣泡在上浮階段就呈菊花狀散開，因此在小氣泡發生器正上方液麪無小氣泡分佈。

大氣泡與小氣泡在其他操作條件相同情況下均隨着氣量的提高，氣泡羣在液麪的覆蓋面積增加。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，大氣泡與小氣泡羣的覆蓋面積均隨着鼓泡口深度的上升而增加，然而當大氣泡的鼓泡口深度大於12cm和小氣泡的鼓泡口深度大於8cm後覆蓋面積增幅趨緩。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。由於小氣泡在液位高於8cm後小氣泡之間由聚並狀態開始發散，因此將小氣泡鼓泡池深度選在8cm最為合適。

（2）相鄰氣泡羣分佈規律

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麪的覆蓋率。本文將兩個自制小氣泡發生器均設置於深度為8cm處，在0.8L·min^-1氣量下調節鼓泡口間距，以及將鼓泡口設置於深度為12cm處，在4L·min^-1氣量下調節鼓泡口間距，考察孔間距對氣泡覆蓋面積的影響，在間距為2cm時由於兩鼓泡口所鼓出的氣泡羣相互影響，兩氣泡羣間發生聚並現象，氣泡羣覆蓋面積處於最低值。大氣泡與小氣泡均隨着鼓泡口間距的擴大，其覆蓋面積增大。大氣泡當孔間距擴大到14cm處後，兩鼓泡口所鼓出的氣泡羣相互獨立，氣泡羣間的聚並現象不再發生，之後隨着間距的擴大，氣泡覆蓋面積不再增加。而小氣泡相鄰兩孔間距擴大至12cm處後，氣泡的覆蓋面積不再隨着間距的擴大而增加。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、鼓泡陣列中氣泡羣分佈規律

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佈在平均孔氣量為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，大氣泡羣的覆蓋率僅有0%～60%，氣泡羣之間有很大的空隙。相比較而言，小氣泡除鼓泡口上方沒被覆蓋外，其他區域均被完全覆蓋，覆蓋率可達80%～90%，且氣泡之間排列密實並存在堆積現象。當氣量升至1L·min^-1之後，氣泡的聚並與更新速率加快，液麪的波動更加劇烈，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，氣泡的聚並和更新速率降低，液麪的波動減緩，大氣泡羣覆蓋率降低至20%～30%，小氣泡羣的覆蓋率降低至不足70%。從增大鹽田液麪覆蓋率的角度出發，小氣泡羣更適合於鼓泡過程，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，在鼓泡池液麪上高度不足40cm的下方，從特定的角度觀察到了彩虹現象。該現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據，説明迸射出的小液滴基本沒有被風颳走。氣泡迸射出大量的小液滴，使表面蒸發變為立體蒸發。

通過對六橫島的實驗數據進行估算，認為鼓氣量對蒸發量的貢獻率不足10%，氣泡漂浮對蒸發量的貢獻約50%，推測剩餘約40%包含了液滴濺射的貢獻率。

（1）液滴的濺射現象

圖2為氣體流量控制在2L·min^-1，1mm單鼓泡口鼓出的氣泡羣漂浮在液麪泡破裂後，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、液麪擾動、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，説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範圍，極少數達到20 cm以上。曬鹽期間所觀察到的彩虹現象出現在40 cm以下，是由於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係。

（2）氣泡大小對液滴數量的影響

顯然單位面積的鼓泡池中濺射的液滴數量越多越有利於提高蒸發速率，為了考察氣泡大小對液滴數量的影響，在鼓泡池液麪以下10cm處設置了一個鼓泡口，通過改變鼓泡口結構調節鼓出氣泡的平均直徑分別為2、10、15mm，並且調節鼓氣量將氣泡在液麪的覆蓋面積控制在約100 cm2。當氣泡直徑在2mm時，生成的小氣泡數量最多，這些小氣泡破裂後所迸射出的液滴數量遠多於氣泡平均直徑為10mm和大於15mm時所迸射出的液滴數量，氣泡平均直徑為10mm時氣泡破裂後所迸射出的液滴數量多於平均直徑大於15mm時所迸射出的液滴數量。在相同的覆蓋面積下，小氣泡的個數遠多於大氣泡的個數，並且小氣泡的壽命短，更新速率比大氣泡快。同時，小氣泡覆蓋100cm²的液麪所需的氣量為0.4L·min^-1，而大氣泡覆蓋100cm²的液麪則需要氣量為2L·min^-1。因此，小氣泡能夠顯著增加液滴噴射的數目，提高蒸發速率。此外，氣泡的大小對液滴的直徑也存在影響。

（3）小氣泡羣對蒸發過程的影響分析

與大氣泡羣相比，小氣泡羣的產生所需壓力更高，氣量更低，氣泡羣在液麪分佈更廣，小氣泡的壽命更短，釋放出的小液滴數量顯著增多，這將產生合理效應：小氣泡羣更能帶動周圍液體的環流，由於鹽田液位深度一般不高於10cm，與傳統鼓泡裝置的高徑比差異非常大，對於淺池鼓泡過程的環流目前國內外研究甚少，通過實驗觀察發現，儘管鼓泡過程中液位只有8cm，但小氣泡羣在上升階段能夠呈現菊花狀分佈，並且小氣泡羣在液麪上分佈更廣，説明小氣泡羣在上升過程中明顯帶動了周圍液體的環流，環流推動小氣泡向更廣的範圍擴張，環流的產生對於濃海水淺灘鼓泡蒸發過程而言，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與能量交換，從空氣中吸收了大量的熱，並釋放出大量水蒸氣，這將導致濃海水蒸發過程中所吸收的熱量主要來自於高温地面空氣的熱量而不是直接的太陽光能。環境空氣的温度、乾濕度和流通速度對濃海水鼓泡蒸發過程的影響將變成主要的影響因素。 ^{[1]  [2]}