微纳气泡技术及在农业种植与养殖方面的应用

分类：论文范文 发表时间：2021-07-06 10:18

　　摘要：微纳米气泡具有很多独特的性质,如超长寿命、表面带电、比表面积大和传质效率高等。由于这些独特性质,微纳米气泡在诸多领域表现出巨大的应用前景,如水处理、农业、清洗、生物医药、土壤改良等。文中重点介绍了微纳米气泡在农业、水产养殖业中的应用。首先,介绍了微纳米气泡的定义和特性;其次,对微纳米气泡在农业养殖方面的应用进行了简要综述,如微纳米气泡改性材料可以提高水中溶氧量,进而提高鱼类存活率,可以促进动植物的生长发育和植物种子发芽。最后,重点介绍了研究团队应用微纳米气泡技术于水稻种植,并从其对土壤改良、水质提升、水稻产量和品质的提升方面进行了综述,发现微纳米气泡技术及利用其配置的微生物活菌制剂可以有效改善土壤的微生物菌群,修复养殖尾水,提升水稻的固氮能力,从而提高水稻的产量和品质,但相应的机理需要进一步研究。

　　关键词：微纳气泡；农业；水处理；土壤改良；水产养殖；水稻种植

　　1微纳气泡概况

　　1.1微纳气泡的定义

　　微纳气泡是指存在于水/油/固体中的微米或者纳米级别的气泡。之所以关注微纳气泡,是因为和大气泡相比,微纳气泡表现出很多独特的性质以及具有许多潜在应用。根据国际标准化组织(ISO)的定义,按照气泡的大小,将气泡简单分为微小气泡(直径>100μm)和微纳气泡(直径<100μm)。微纳气泡(fine-bubble)包括微米尺寸的微米气泡(micro-bubble)和纳米尺寸的纳米气泡(ultrafine-bubble)2种,如图1所示[1]。实际上,纳米气泡的尺寸可以更小,但因为检测手段的限制,工业上应用需要一个固定的标准,所以图1中定义纳米气泡是数十nm~1μm。研究领域认为,<1μm的气泡就是纳米气泡。在纳米气泡的研究过程中,根据其吸附状态,可以将纳米气泡分为体相纳米气泡和界面纳米气泡。体相纳米气泡即存在于水体相中的纳米级气泡,其直径大部分在几十~几百nm。界面纳米气泡即在溶液中附着在固体表面的气泡,其高度一般<100nm,但横向尺寸在几十~数百nm。

　　1.2微纳气泡的特点

　　微纳气泡自发现以来表现出很多奇特的性质,主要表现在以下几个方面。

　　(1)超高的稳定性。根据Laplace方程,越小的气泡在水中的存活时间越短,会很快消失溶解。例如,按照经典理论计算,纳米气泡应该在数微秒的时间内消失[2],但是试验中发现纳米气泡的寿命非常稳定,可以存活几个h~几十d[3-4]。纳米气泡体积小,其所受的浮力也很小,浮力造成的运动相较于布朗运动,可以忽略不计[5]。不同于增氧机产生的垂直上升的毫米级气泡,微纳气泡能够长时间存在于水体中。

　　(2)奇特的接触角。界面纳米气泡的接触角也不同于宏观大气泡,它在气相一侧的接触角明显小于宏观气泡的接触角。根据著名的杨氏方程,一个水滴或者气泡的润湿角取决于材料表面的亲疏水性质(主要由化学性质和粗糙度决定)。虽然纳米气泡的润湿角在亲水表面比疏水表面小[6],与宏观情况下变化规律一致,但它们的绝对值差异巨大[7]。AFM测量的纳米气泡在许多固体表面上的固液界面润湿角一般为20°~30°,远远小于宏观情况下同样表面的润湿角,无法用杨氏方程合理解释。

　　2微纳气泡在农业养殖方面的应用近些年,微纳气泡的应用在世界各国、各个领域均发展迅速。在美国,微纳气泡应用在水产养殖、栽培、灌溉、施肥、城市污水处理、固-液和液-液分离污水处理设备、牛奶厂废水、高尔夫球场水塘、啤酒厂污水处理、增氧泥浆细菌分解池、虾场、池塘泻湖、藻类控制、养牛场等[18]。在日本,微纳气泡广泛应用于生活中的各种场景,如鱼类运输、鱼类保鲜、清洁清洗、农业养殖、水环境治理等[1]。在大陆,纳米气泡基础研究起步较早,中科院上海应用物理研究所胡钧课题组从1997年开始,对纳米气泡的基本性质和稳定机制等进行了系统研究[19]。但是,纳米气泡的应用却相对滞后,直到2014年,上海成功举办了关于纳米气泡的国际会议,才逐渐引起工业界的极大关注。最近几年,微纳气泡应用领域发展非常迅速,短短几年,研发微纳气泡设备的公司已达十几家。同时,2018年成立了颗粒学会微纳气泡专业委员会;2019年底成立了全国微细气泡技术标准化技术委员会,也开始不断建立和完善相关标准。

　　3微纳气泡在水稻种植中的重要作用

　　我国是一个拥有14亿人口的大国,粮食是关系经济发展、社会稳定和安全的全局性重大战略问题。尤其是,2020年的疫情在全球的影响不可忽视,全球粮食短缺将是今后各国面临的重要问题。我国人口基数大,人均耕地面积仅1000m2[23],如何在有限的耕地面积上种出产量更高、品质更好的粮食;如何开拓更多的耕地面积,将考验我国科技人员的智慧和能力。随着工业化和城镇化进程的加快,粮食品种改良、水资源短缺、环境污染、气候生态等因素将会越发地制约粮食产量和质量。在这些问题中,土壤污染问题由于以往的关注不够,如今越发处于突出位置。农药、有机物、氮肥、磷肥等大量存在于土壤之中,土壤遭受污染,品质下降[24-25],严重制约粮食的产量和质量,威胁着的主粮安全。

　　4总结和展望

　　本综述重点介绍了微纳气泡及其在农业中,特别是水稻种植中的重要应用。微纳气泡技术与新兴技术手段的结合,将打造规模化、标准化、精细化、集成化、智能化的对环境友好的现代农业和工业,从根本上改善我们的生态环境,带来巨大的经济价值和社会价值。当然,微纳气泡技术的应用不限于农业,它同时在污水处理、矿物浮选、清洗和养生健康等重要领域也表现出色。相信未来随着微纳米气泡的研究和应用的不断推广和深入,微纳气泡将深入日常生活,从水龙头到马桶,包括日常清洁,不断提升生活质量。另外,微纳气泡的应用,将使水更清,天更蓝!

　　参考文献

　　[1]九州经济产业局,微细气泡活用事例集[R].2015.

　　[2]EPSTEINPS,PLESSETMS.Onthestabilityofgasbubblesinliquid-gassolutions[J].TheJournalofChemicalPhysics,1950,18(11):1505-1509.　 [3]FANGZ,LEIW,WANGXY,etal.Formationandstabilityofsurface/bulknanobubblesproducedbydecompressionatlowergasconcentration[J].TheJournalofPhysicalChemistryC,2018(39):22418-22423.

　　[4]KES,XIAOW,QUANN,etal.Formationandstabilityofbulknanobubblesindifferentsolutions[J].Langmuir,2019,35(15):5250-5256.

　　杨晓东1,2,陈鲁海3,张立娟2,4,陈邦林5

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