微納米氣泡光學觀測系統開發

李恒震, 胡黎明

(1. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088； 2. 清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

微納米氣泡技術是一項新興技術，在工業廢水和地表水體污染治理、生物醫藥工程、納米材料等諸多學科領域顯示出巨大的使用潛力，引起廣泛關注[1-5]。微米氣泡直徑在1～60μm之間，納米氣泡的直徑則在200nm以下，直徑介于兩者之間的氣泡通常被稱為微納米氣泡。在水體中，毫米—厘米級宏觀氣泡將在浮力作用下迅速上升，并在水表面處破裂；而微納米氣泡則由于直徑較小，在水體中停留時間較長，納米氣泡在水中甚至可存留數月。由于水氣界面張力作用，氣泡內壓較大，其高溶解能力可為水體提供高含量的溶解氧。同時，微納米氣泡氣液界面帶負電荷，可以與特定的污染物相互作用，微納米氣泡破裂時產生的自由基和振動波也可促進污染物的去除。

1 微納米氣泡觀測的研究現狀

對微納米氣泡直接進行光學觀測是研究微納米氣泡物理性質的重要手段。但微納米氣泡由于粒徑小、反光效果差，對觀測技術要求高，需要復雜的儀器設備[6-12]。目前針對微納米氣泡的觀測主要集中在水中的氣泡粒徑和運動速度。張蓉生等[13]開發了微小氣泡的測量裝置，使用鹵素光源照亮水體，通過CCD相機對氣泡成像，但是體積光源造成氣泡重影現象。Tian 等[14]研究了微米氣泡的可視化設備，以觀測超聲空化產生的水中微米氣泡的振蕩變形過程，可觀測氣泡直徑為5～100μm，并使用LED照亮整個水體，同樣存在氣泡重影現象。Burns[15]使用光學觀測系統觀察水體中20μm以上的氣泡，但系統沒有照明設備，所獲得結果精確性值得懷疑。Kitagawa等[16]使用PIV系統觀測水體中的微小氣泡，研究其粒徑和運動速度，氣泡直徑在1mm左右，由于氣泡的光反射效果差，拍攝效果并不理想。Aslan等[17]研制了新型的橢圓偏振光散射(EPLS)觀測系統，但儀器造價高，且觀測的氣泡在200μm以上。在多孔介質中，觀測微納米氣泡的粒徑、運動速度和吸附特性的設備還未見報道。

因此，開發微納米氣泡的光學觀測系統，提高成像精確度，系統研究微納米氣泡在水中及多孔介質中的粒徑、運動速度和吸附特性非常必要。

本研究設計了一套微納米氣泡的光學觀測系統，可以對微納米氣泡在水體中及多孔介質中的粒徑分布、運動速度和吸附特性等進行觀測，并分析其影響因素。該系統能觀測的微納米氣泡粒徑范圍為900nm以上。

2 系統組成

該微納米氣泡光學觀測系統主要由模型箱、激光器、CCD相機、顯微鏡頭、三維可調節支架及圖像處理軟件組成，見圖1。

圖1 微納米氣泡光學觀測系統

2.1 模型箱

模型箱專門為觀測水體中及多孔介質中的微納米氣泡而設計。其外觀尺寸見圖2。

圖2 模型箱尺寸示意圖

模型箱由觀測面、背景面、左/右側面及底面構成。其中觀測面板使用透光性好的超白玻璃制作，使得模型箱內部的微納米氣泡可以透過觀測面在相機內清晰成像。其他面板均使用有機玻璃。背景面涂抹成黑色，以增強微納米氣泡與背景的對比度。左/右側面及底面均涂抹成白色，以增強水體中微納米氣泡的漫反射效果，最大限度提高微納米氣泡的亮度。在模型箱底部中央位置設置水流注入口，直徑為4mm。水流從頂部溢流，在模型箱內形成流場，觀察微納米氣泡在水中的運動情況。

2.2 激光器

激光器置于模型箱正上方，通過高功率激光器發射片狀激光，照亮模型箱內的微納米氣泡。激光器最大功率為2W(功率波動在5%以內)，波長532nm，發散角小于1mrad，束腰直徑小于3.0mm。激光功率越大，氣泡的亮度越高，但是過高功率的激光照射在微納米氣泡上，會造成溫度升高，影響微納米氣泡的性質。同時過高的激光功率也存在安全隱患。

在激光出口處使用矯正圓環將激光調整為片狀，照亮水體中的某一平面，而不是整個水體，這樣不僅集中了激光能量，而且可以通過控制片狀激光的線寬，使線寬小于相機景深，避免相機景深外的氣泡被照亮以造成在CCD相機上成虛像，避免氣泡重影現象。此外矯正圓環還可以360°改變激光線的方向，照亮不同平面。

2.3 相機及鏡頭

相機和鏡頭用于對微納米氣泡進行成像。由于微納米氣泡體積小，對光的反射效果差，運動速度快，因此需要高放大倍數、高感光度以及高快門速度的相機。本系統使用的相機為高感光度CCD相機(WAT-120N+型)，最低照度0.00002lx仍可成像，CCD尺寸為1.27mm(1/2″)，分辨率為768像素×576像素，信噪比為52dB，具有高速電子快門(最快可達1/2000s)。鏡頭選用適合相機的工業縮放鏡頭(ZL0911型)，放大倍數為0.7～4.5，工作距離為88～93mm。該工業鏡頭可通過增加多個2倍的放大環進一步提高放大倍數，配合相機(受限于感光度及快門速度要求)最小可以觀測直徑為900nm的氣泡。

2.4 三維可調節支架

三維可調節支架用于承載相機及鏡頭，實現對觀測位置及焦距的連續、微細調整。支架由不銹鋼制作，通過螺絲將相機及鏡頭固定于頂部面板(承載板)。通過移動滑桿控制空間3個互相垂直面板的移動，并可以鎖定面板的位置。

2.5 圖像處理軟件

圖片處理軟件用于對拍攝圖像進行后處理，分析微納米氣泡的形態、粒徑及運動速度等。使用PIV/PTV分析軟件MicroVEC，通過對拍攝圖片的灰度值進行分析(高斯擬合)，識別氣泡，然后根據單位像素的實際尺寸計算氣泡直徑。通過連續拍攝的系列圖片，確定目標氣泡的運動軌跡，然后根據像素尺寸及快門速度，計算微納米氣泡的運動速度(大小及方向)，并繪制微納米氣泡的運動跡線圖。

3 操作步驟

以分析水體中微納米氣泡運動速度為例，簡述該系統的操作步驟如下：

(1) 向模型箱中注入去離子無氣水(大于0.22μm的雜質顆粒每毫升不多于1個);

(2) 將相機和鏡頭放置于三維可調節支架上，并移動到初始位置,相機控制線與電腦相連接，在電腦上打開相機軟件，調整好相機參數(亮度、對比度、快門等)及鏡頭放大倍率，做好拍攝準備;

(3) 打開激光器，緩慢提高激光器功率值，并調整激光器的位置以及矯正圓環的位置，使得激光器發射的片光源照亮水體中的某一平面及注水口，并且該平面與相機/鏡頭所在的軸線垂直;

(4) 生成微納米氣泡水，通過底部注水口以恒定流速注入到模型箱中(使用藥劑泵);

(5) 使用相機對微納米氣泡進行連續拍攝，存儲為照片;

(6) 調節支架，改變相機的位置，拍攝不同位置處微納米氣泡的運動情況;

(7) 調整鏡頭的放大倍率，拍攝不同直徑范圍氣泡的運動情況;

(8) 通過圖像處理軟件對所拍攝的照片進行后處理，分析微納米氣泡的形態、粒徑及運動速度等

4 實驗結果與分析

4.1 水中微納米氣泡粒徑分析

使用該系統分析水體中微納米氣泡的形態，粒徑和存在時間等基本特性。直接將生成的微納米氣泡注入模型箱中，待水體基本靜止后，進行拍攝，拍攝粒徑實況見圖3。

圖3 拍攝粒徑

拍攝結果如圖4(a)所示，圖像中的白色點即為微納米氣泡?？梢钥闯?，在形態上，微納米氣泡仍為球形。使用后處理軟件對圖片灰度進行分析，獲得的處理圖見圖4(b)所示。

圖4 微納米氣泡拍攝效果圖

從圖4中，根據每個氣泡所占據的像素數量及像素的實際大小，計算出每個氣泡的粒徑。圖4中的氣泡粒徑分布如圖5所示。

圖5 微納米氣泡粒徑分布

由圖5可知，微納米氣泡存在2個粒徑峰值，分別在10μm左右及50μm左右。

4.2 水中微納米氣泡運動分析

注入口的注入速度為5mm/s，模型箱內的水流處于層流狀態。使用相機拍攝不同位置處微納米氣泡的運動情況，并對同一位置處的多張連續照片進行分析，可獲得氣泡的運動軌跡及運動速度，速度的空間分布如圖6所示。

圖6 微納米氣泡運動速度空間分布

分析微納米氣泡運動速度與直徑的關系，結果如圖7所示。由此可知，微納米氣泡的運動速度與直徑無關，主要由局部的水流速決定。

圖7 微納米氣泡運動速度隨氣泡直徑的分布

4.3 多孔介質中微納米氣泡運動分析

該套實驗系統不僅可以研究水體中微納米氣泡的粒徑及運動情況，還可以研究多孔介質中微納米氣泡的基本性質，尤其是可以可視化研究微納米氣泡的吸附特性。

使用透明的橢球形樹脂顆粒來模擬多孔介質，由于微納米氣泡的折射率與多孔介質的折射率不同，并且微納米氣泡被激光照射，滿足成像的亮度需求，可以拍攝到微納米氣泡在多孔介質中的吸附效果，如圖8所示。

圖8 微納米氣泡吸附效果圖

從圖8中可以看出，微納米氣泡在樹脂顆粒的表面存在明顯的吸附，可吸附的氣泡數量與顆粒的表面積相關。研究發現，微納米氣泡吸附之后存在時間進一步增長。

5 結束語

本文開發的微納米氣泡觀測系統可以對微納米氣泡(大于900nm)在水體中及多孔介質中的粒徑分布、運動速度和吸附特性等進行觀測，并分析其影響因素。微納米氣泡光學觀測系統功能強、觀測精度高，在實際教學和科研中發揮了重要作用，為建立微納米氣泡的流動模型、滲流模型及吸附模型等科研工作提供了有效地實驗研究手段。

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