Adv. Sci.：基于“永不破裂”气泡的新型空气净化与气溶胶颗粒收集技术

2023-07-25 03:07

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当今社会空气污染问题日益严重，PM2.5是造成污染的主要因素，如何高效去除空气中的颗粒污染物成为空气净化要解决的关键问题。现有的空气净化器其固体滤芯不仅成本高，而且易造成二次污染。

近日，西北工业大学臧渡洋教授课题组提出了一种基于永不破裂气泡无固体耗材的新型空气净化技术，相关研究成果以 “Toward Enhanced Aerosol Particle Adsorption in Never-Bursting Bubble via Acoustic Levitation and Controlled Liquid Compensation” 为题，发表于 Advanced Science ,并被选为期刊扉页插画，博士生姬晓亮为论文第一作者，本科生蒋一辰为论文第三作者。这项工作也得到了西北大学赵伟老师的大力支持。

图1.期刊扉页：声悬浮气泡与气溶胶净化

气泡的气-液界面对颗粒物具有较强吸附力，有成为新型空气净化滤芯的潜力，从而完全避免固体滤芯的消耗。团队引入悬浮气泡作为液体滤芯，构想了一种摆脱固体耗材局限的新型气体净化技术。然而，要实现这一构想，一方面需要悬浮气泡具有足够的稳定性和寿命；另一方面，需要实现气溶胶颗粒在气-液界面的快速吸附。

限制气泡寿命的因素有许多种，例如由于重力引起的排液，或者气泡暴露在空气中液体蒸发。过去几十年，人们通常采用引入化学稳定剂以提高气泡的寿命。在这项研究中，研究人员通过声学悬浮和液体补偿两种手段实现了气泡的永不破裂（在声悬浮工作时间内）。一旦气泡稳定悬浮于驻波声场中，其表面的声辐射力会挤压液膜，抑制重力排液，从而使得气泡的寿命显著提高两个数量级以上。但受蒸发的影响，液膜仍然会缓慢变薄并逐渐产生毛细波，最终导致雾化破裂。所以为了获得更加稳定的气泡，研究人员引入额外液体补偿气泡，液体在0.2s内在气泡表面重新分配，并完全抑制表面毛细波，使得气泡恢复稳定（图2）。为了实现补液自动化，研究团队引入负反馈补液机制，在监测到气泡表面毛细波增强导致气泡灰度值达到阈值时，补液机制就会开始工作，因此，采用这种技术，可以获得永不破裂（取决于该系统的工作时间）的悬浮气泡。

图2.气泡补液过程

在实现气泡的超长寿命基础上，研究人员探索利用超稳定的声悬浮气泡作为气溶胶收集器。当向气泡内注入气溶胶颗粒后，约30s后颗粒几乎不可见（图3），这说明声悬浮气泡对气溶胶颗粒具有极高的吸附效率。这是由于声悬浮气泡振荡引起的内部声流对加速颗粒与气泡表面的接触及其吸附起着至关重要的作用（图3，Ⅳ）。被声流带动的颗粒以约0.01m/s的速度撞击气泡液膜，并在0.1ms内被快速捕获。

图3.气泡吸附颗粒过程

基于声悬浮气泡持续存在的稳定性与非凡的颗粒吸附能力，研究团队提出了一种潜在的以悬浮气泡为滤芯的空气净化系统（图4）。在气泡稳定模块中，研究人员通过引入超声场使气泡悬浮并且保持稳定，使用CCD拍摄气泡状态，将其转化为灰度数据输入计算机，通过负反馈机制控制微流泵实现液体补偿。而在气溶胶净化与收集模块中，同样由计算机控制微流泵将气溶胶颗粒打入悬浮气泡中进行净化。在净化完成后，微导管将气泡中的纯净气体导入气溶胶分析仪中进行净化效果分析并最终收集，整个流程实现了气溶胶颗粒净化和收集过程的自动化。