地热水回灌过程受当前技术限制，易发生堵塞而造成回灌效率低，甚至回灌井报废等一系列问题^[1]。因此，解决地热水回灌过程中的堵塞问题，是实现地热能高效和经济利用的关键环节之一。气体堵塞主要是指，在地热水回灌过程中，由于压力和温度等操作条件以及地热水物理化学性质变化，而形成微气泡堵塞多孔岩层水通道，使回灌难以正常进行，一般占总堵塞的10%~15%。目前应对地热水回灌气体堵塞的方法，如加压回灌、离心脱气回灌、安装脱气罐利用流速和压差脱气后回灌等，效率都较低，难以满足高效地热水回灌过程中对液体脱气率的要求。

目前对于微气泡性质的研究还处在起步阶段。一般认为，微纳米气泡尺寸应在0.5~50.0 μm之间，具有气泡上升速度慢、压强大、表面积大、界面电位高、气体溶解率高等不同于普通气泡的特殊性质^[2]，这也使得微气泡在污水处理^[3]、医疗卫生^[4]等领域有特殊应用。对于微气泡的制备与表征方面有一定进展，Etchepare等^[5]采用加压溶气减压释气的方法可以制得一定粒度的稳定微气泡；Fan等^[6]利用光催化的方式，在光催化材料表面析出微气泡；潘习习等^[7]研究了不同条件下，微气泡与溶解氧之间的关系，发现两者是互相关联的。

国内外对地热尾水回灌过程中的气相堵塞研究也还不够多。已有对地热水回灌气相堵塞特征的实验研究，如束龙仓等^[8]以达西渗流理论为依据，利用砂柱模拟雨水回灌地下水过程，采用介质渗透系数的变化定量评价试验砂柱的堵塞情况。也有脱气方法的研究，如用于自来水和金属熔融液脱氢方面的超声波脱气研究^[9]。亦有利用超疏水和超亲水纳米针结构网格脱气^[10]。但是，尚无采用超声波脱气方法用于地热水回灌过程中的气体堵塞的深入研究。超声波脱气是利用高强度的超声波振动产生空化气泡，在振荡压和定向扩散的作用下，空化气泡不断生长，长成大气泡后聚集和漂浮到液体表面破裂，溶液中的气体被脱除。超声波脱气与常规的化学、负压等脱气技术相比，具有能在常温常压下进行，对环境清洁、价格低廉等特点，是一种较有前景的脱气技术^[11-13]。然而，由于超声脱气技术的研究更多注重于冶金领域的液态金属超声波脱气和化工、环境行业的气泡运动原理、气液传质方面^[14]，针对地热水超声脱气，特别是其中有关声强、频率等参数研究和对相关装置研发的报导很少。

本研究拟通过微气泡发生装置产生微气泡水，通过改变超声除气的功率，设计和进行超声波脱除微气泡的研究，评价超声波脱气的效果，探索优化的超声波脱气参数，为工业应用提供基础指导。

1 实验材料与方法 1.1 实验材料

用于模拟回灌地热水的自来水。

1.2 实验装置及流程

实验装置及流程如图 1所示。

(1) 微气泡发生仪：斯利泵业生产，QY型号，规格为250 W。以100~150 L ·h^-1的流量向水体内产生微纳米级气泡。

(2) 超声处理装置：主体为金属水缸，材料为304不锈钢板，长50 cm，宽10 cm，高5 cm；水缸下装有超声振子，振子为科美达公司生产，KMD-4050型号，规格为28 kHz，60 W，振子间距大于10 cm。

(3) 超声波发生装置：科美达公司生产，KMD-K1双显型号，规格为28 kHz，600~900 W，用以在0~900 W的功率下产生20~25 kHz的超声波。

(4) 测量表征装置：(a)台式浊度仪：力辰科技生产，WGZ-1A型号，测定水体的浊度，其原理是通过微气泡等对光线的散射吸收程度不同来表征不同的浊度。(b)电导率仪：Mettler toledo公司生产，M200 1-CH 1/4 DIN型号，测定样品的电导率。(c)溶氧量测定仪：梅特勒公司生产，JPSJ-605F型号，测定水体的溶氧量及温度，测量时应注意搅动样本。(d)微电泳仪(Zeta电位仪)：上海中晨数值技术有限公司生产，JS94H型号，对放大1 200倍的气泡连续拍照，放大后的照片中能肉眼看见0.5~20.0 μm的气泡。

1.3 实验操作条件及步骤

在室温下通过气泡发生仪处理样品5 min，以制得微气泡水，制得微气泡水在超声处理水槽中以不同条件进行处理，分别尝试通过浊度仪、电导率仪、溶氧量测定仪定量测定自来水、微气泡水、超声处理后微气泡水的气泡含量。操作步骤如下：(1)采用浊度仪分别测量自来水、加气5 min微气泡水和固定频率与功率条件下超声处理0.5、2.5、5、10和15 min后水样的浊度。(2)使用电导仪分别测量自来水、加气5 min微气泡水和固定频率与功率条件下超声处理5、15和25 min后水样的电导率。(3)通过溶氧量测定仪分别测量自来水、加气5 min微气泡水和固定频率及0、270、450、630和900 W功率超声条件下，每隔10 min的样品中溶氧量浓度及温度。(4)用微电泳仪分别拍摄自来水、加气5 min微气泡水和27.6 kHz、900 W功率超声处理后气泡水的微气泡照片。

1.4 数据处理

(1) 浊度表征分析：以多次实验的平均值进行比较，通过不同状态下样品的浊度变化，分析浊度对表征样品中微气泡含量的可行性与可能揭示的规律。

(2) 电导率表征分析：以多次实验的平均值进行比较，通过不同状态下样品的电导率变化，分析电导率对表征样品中微气泡含量的可行性与可能揭示的规律。

(3) 溶氧量表征分析：首先对不同状态下样品的实验测量值进行比较，分析溶氧量对表征样品中微气泡含量的可行性，并通过对比溶氧量随超声处理时间和不同超声处理条件的变化探究超声脱除微气泡的规律。

(4) 微气泡数目、形态变化分析：通过相机拍摄照片，直观分析不同条件下微气泡形态和数目变化。同时由于单个照片所展示空间有限，为客观反映不同微气泡水样品中的气泡数目，对同一样品进行多次拍照，统计平均值进行比较。

2 结果与讨论 2.1 微气泡水与超声处理后的微气泡水 2.1.1 微气泡水状态

图 2为微气泡发生仪初制得的含微气泡水样本。可以看出，气泡水初制得时为白色浑浊液体，静置2~5 min后逐渐澄清，开始时，气泡水含有大量的不同粒径的微气泡或小气泡，当气泡粒径超过50 μm时，气泡上浮速度较快^[15]，不能稳定存在，会迅速发生聚并上浮至液体表面消失或溶解于液体之中。而微气泡则稳定存在于样品之中，这也在后续表征中得到证明。

2.1.2 超声处理下气泡水状态变化

图 3为进行超声处理时微气泡水的状态变化。气泡水原本状态为澄清透明液体，超声处理时，肉眼可见有气泡形成，且气泡会处于稳定成长阶段，主要存在于液体表面或容器底部。随超声时间增加，少量底部气泡上浮。当停止超声处理时，大部分液体表面气泡消失，大部分底部贴壁气泡上浮消失。分析认为，超声作用于两相体系时由于空化作用，微气泡发生了振动、缩放等一系列动力学过程，微气泡粒径呈现震荡波动变化并逐步增大^[15]，这加快了微气泡的成长或聚并，使得微气泡上浮速度加快，在环境中不能稳定存在，促使水体中气体含量下降，同时使得微气泡含量下降。

2.2 微气泡水样品在超声消泡前后的性能表征 2.2.1 微气泡的浊度表征分析

从浊度测量的原理上分析，微气泡含量的多少与浊度(TU，NTU)有关。表 1是典型的微气泡水在超声处理前后样本的浊度测量数据。从表 1可以看出，无论是微气泡加气处理还是超声处理，浊度均有上升的趋势，但重复实验时，不同处理条件下浊度上升幅度又有所不同或者变化不明显，数据变化没有明显规律，而且所检测出浊度值均较小，变化程度也无规律性。分析认为是因为微气泡含量对浊度影响不明显，或者是实验所用浊度仪灵敏度不足，反而可能是其他影响因素如仪器杂质的引入等影响了样本浊度。同时，当在相同条件下重复取得原水样时实验测量值明显不同，因而采用当前测量仪器进行测量的重现性较差。因此，浊度测量不适用于样品微气泡含量的表征。

2.2.2 微气泡的电导表征分析

微气泡对溶液电导率(σ，μS ·cm^-1)会产生影响。表 2是部分样本的电导率测量数据。从表 2可以看出，在不同处理条件下，尽管相对于原样本电导率小幅上升，但是总体上电导率变化不明显，且电导率上升有可能是由于实验过程中水温上升的影响。分析认为溶液电导率主要受温度和离子状态的影响、与浓度有关，微气泡对电导率的影响一般需要电导探针才能准确测量。实验室所用电导率测量设备探头为金属圆头，而非电导探针，且探针直径也会影响微气泡测量效果，当前实验条件下，电导率表征微气泡含量的方法不适用。

2.2.3 微气泡的溶氧量表征分析

表 3是部分样本的溶氧量测量数据，图 4是2 L微气泡水是否经过27.6 kHz超声5 min处理的溶氧量变化曲线对比图。从表 3可以看出，微气泡处理后样本溶氧量上升；经超声作用后，溶氧量明显下降。从图 4可见，在进行测量时，数值大约在250 s后趋于稳定。超声作用处理后溶氧量明显下降；实验参数不同时，溶氧量下降速率不同。分析认为，当进行超声作用时溶解氧会因为空化作用进入微气泡水，结合超声作用时，会有肉眼可见气泡浮出水面，气泡空化成长后会进一步聚并，当不能稳定存在时，会上升至液面破裂的现象，认为溶解氧可以反映微气泡的含量。

2.3 微气泡水样品中微气泡在超声消泡前后的表征分析 2.3.1 超声处理下含氧量变化

图 5为用不同功率超声处理微气泡水所得到的微气泡水含氧量(DO, mg ·L^-1)随时间的变化。从图 5可见，超声处理前微气泡水(加气5 min)含氧量维持在8.00~8.65 mg ·L^-1之间，无超声处理时气泡水含氧量变化不明显，处在维持不变的状态；随着超声功率的增加，气泡水含氧量呈下降趋势，且下降趋势增大，说明气泡脱除效果与超声功率存在正相关关系。

为客观反映超声功率对微气泡水中微气泡脱除的效果，定义物理量微气泡脱除速率，其中瞬时微气泡脱除速率为p(mg ·L^-1 ·min^-1)，平均微气泡脱除速率为P(mg ·L^-1 ·min^-1)，瞬时微气泡脱除速率和平均微气泡脱除速率分别由式(1)与(2)计算得到。

$ p=\frac{\mathrm{d}(\mathrm{DO})}{\mathrm{d} t} $

(1)

$ P=\frac{\Delta \mathrm{DO}}{\Delta t} $

(2)

表 4为由不同超声功率处理的微气泡水含氧量变化数据计算而得到的平均微气泡脱除速率。其中，与无超声处理微气泡水相比，用270 W超声处理微气泡水时，气泡脱除速率明显增大。结合实验时气泡产生与流动状态，可进一步认为在超声处理时，由于超声空化作用，微气泡可以迅速成长或发生聚并。此外，数据也明显反映出气泡脱除速率是随功率增加而提升的。其中，超声功率增加到450 W时，可观察到含氧量下降速率有所提升，而继续增加至630 W时，含氧量下降速率提升不是很明显。但当功率从630增至900 W时，气泡脱除速率增速明显加快，据此认为超声处理脱除微气泡时存在超声功率的合适范围，在此范围内超声功率的增加对于微气泡的脱除有更明显的效果。

2.3.2 超声处理时微气泡水的温度变化

实验过程中发现，超声处理时，微气泡水的温度会随超声作用时间的延长而上升。图 6为不同超声处理条件下微气泡水的温度随时间的变化。随超声功率的增加，微气泡水温增长速率也存在一定程度的增加。分析认为，超声处理时会传递能量，引起水温上升；当超声功率增加时传递的能量增大，水温上升速率也随之增加。而温度上升时，气体在水中溶解度下降，从平衡考虑，气液传质速率也增加，加快了空化气泡的成长速率，一定程度上促进了对微气泡的脱除效果。

2.3.3 关于超声作用和温度上升对微气泡脱除的讨论

由于在实验进行过程中存在温度上升的现象，而且温度的上升也会导致微气泡水样品含氧量的下降，因此，这里讨论了超声空化作用是否真的对微气泡脱除有利。

图 7为不同条件下微气泡水样品溶氧量随温度的变化，其中对照组为自来水在升温时含氧量的变化。选取超声处理时功率为450和900 W两条件下溶氧量与温度的变化进行比较。可以明显看出，当施加超声作用时，溶氧量随温度的变化更加剧烈，且超声功率越大，溶氧量随温度变化越剧烈。同时分别计算了对照组和实验组含氧量随温度平均变化量U(mg ·L^-1 ·℃^-1)，表 5为不同条件下U的计算值，表 5中数据与图 7所示趋势相同。实验现象可以说明，当施加超声作用时，微气泡脱除速率的加快是超声空化作用和温度上升平衡改变共同作用的结果。

2.3.4 不同状态下微气泡形态与数量

图 8为用相机拍摄得到的不同微气泡水样品中的气泡形态与数量。图 8(a)为未经处理的自来水，其中视野范围内气泡数目较少，粒径大小较为均一，图 8(b)为加气5 min后气泡水，图 8(b)中明显可见气泡数目增多，且气泡粒径大小不均一，图 8(c)为900 W功率超声处理后的气泡水，其中视野范围内气泡数量对比原气泡水明显减少，且气泡尺寸较小。表 5为3个微气泡水样品中气泡数目平均值。统计数值明显反映出，微气泡数目在加气处理后明显增加，超声处理后又明显下降。从图 8中和表 6中数据综合分析认为，天然状态下的自来水样品，由于运输过程中理化性质的改变，是存在少量的微气泡的，但是微气泡粒径大小较为均一，处于一个较为稳定的状态；而经过微气泡发生仪处理后，样品中明显气泡含量增多，且产生的微气泡大小不同，存在一定的粒径范围分布，证明加气处理后样品中产生了不同粒径大小的微气泡，当前方法制得微气泡含量较多的模拟微气泡水是较为成功的；经过超声处理后，明显微气泡含量降低，已经低于原自来水样品，只有少量粒径较小微气泡存在，认为在超声作用下，大部分微气泡通过空化作用粒径大小发生改变，粒径较大的气泡会快速上浮至表面消失，进一步印证了超声处理有利于微气泡的脱除，也证明采用含氧量进行表征的可行性。

3 总结与展望

(1) 浊度与电导率表征微气泡含量的方法不可行，可以采用溶氧量作为微气泡含量的表征参数。

(2) 超声处理时，由于超声空化作用，微气泡成长、聚并速率加快，促进了微气泡水中微气泡的脱除。

(3) 超声作用脱除微气泡过程中，还存在热量传递过程，通过提供热量影响气液平衡状态，降低了水中气体含量，进而有助于脱除微气泡。

(4) 微气泡的状态是随时间改变的，本实验采用的测量方法未能建立动态测量方法实时追踪微气泡含量变化，存在延后性，可以在测量方法上进一步改进。

(5) 本实验功率设定范围有限，可以探索更宽范围的超声功率，并结合成本、能耗等因素，确定最适合的超声功率。此外，频率作为超声的重要参数之一，也可探究超声频率对脱除微气泡的影响，以确定更好的操作条件。

(6) 本实验初步探究并确定了超声对微气泡脱除的可行性，对以后发展解决地热水回灌中气体堵塞问题的技术提供了指导。