西安建筑科技大学研究团队在 《Journal of Water Process Engineering》发表重要成果， 采用表面改性微纳米气泡技术 ，显著提升了饮用水中典型嗅味物质土臭素（ Geosmin， GSM）的去除效率。研究发现，经 聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDADMAC）改性的微纳米气泡在最优条件下对GSM的去除率可达 70.9%，为传统水处理工艺面临的嗅味问题提供了高效、绿色的创新解决方案。
技术核心：微纳米气泡的表面改性策略
本研究旨在解决常规微纳米气泡（MNBs）与带负电的GSM分子间因静电斥力导致的碰撞概率低、去除效率不高的问题。研究创新性地采用三种阳离子改性剂（CTAB、壳聚糖CTS、PDADMAC）对微纳米气泡进行表面修饰，使其携带正电荷，从而通过静电吸引增强对污染物的捕获能力。
实验中采用行恒科技的LF-1500微纳米气泡发生器，通过加压溶气法产生气泡。研究系统比较了改性前后气泡特性及对GSM的去除效能。
实验装置:
改性剂对微纳米气泡特性的影响
表面电荷与稳定性
三种改性剂均成功使微纳米气泡表面由负电转为正电。其中，PDADMAC改性的气泡在5 mg/L投加量下，出水Zeta电位仅为+4.17 mV，对后续工艺影响最小，是理想的改性剂。
表面电位变化:
尺寸、浓度与传质效率
- CTAB（表面活性剂）：显著减小气泡尺寸（D50从246.1 nm降至189.9 nm），并大幅提高气泡浓度（从1.6×10⁷增至2.8×10⁷ 个/mL），但会略微降低氧传质系数（KLa）:
- PDADMAC（合成聚合物） ：在较低浓度（3-5 mg/L）下能产生尺寸更小（~176-179 nm）的气泡，并拥有最高的氧传质系数（KLa=0.2712 min⁻¹），有利于挥发性污染物的气提去除:
- CTS（天然聚合物）：随着浓度增加，气泡尺寸增大，浓度降低:
气泡稳定性
改性提升了气泡稳定性（半衰期）CTAB和CTS在特定浓度下能显著延长气泡半衰期，而PDADMAC的影响相对较小。
气泡稳定性与含气率数据:
GSM去除效能与优化条件
改性剂类型与浓度优化
在三种改性剂中，PDADMAC在5 mg/L浓度下表现出最佳的GSM去除效果（65.4%），且出水剩余电位最低。CTAB在3 mg/L时去除率最高（59.4%），但随浓度增加而下降；CTS在高剂量下效果较好，但会导致出水电位过高:
操作参数优化：气体流量与pH
- 气体流量（Qg） ：较低的Qg（20 mL/min）更有利于GSM去除，最高去除率达70.9%。这是因为低流量下气泡尺寸更小、浓度更高、上升更慢，有利于吸附。
- pH值：中性条件（pH=7）最有利于PDADMAC改性微纳米气泡对GSM的去除。
去除机理深度解析
研究通过控制实验和中间产物分析，明确了GSM被去除的三条主要途径及其贡献（机理示意图）：
- 挥发作用（Blow-off）：微纳米气泡巨大的比表面积增强了GSM从液相向气相（气泡内）的传质，使其随气泡上升至水面去除。密封实验证实了该途径的存在。
- 自由基氧化 ：微纳米气泡溃灭时产生羟基自由基（·OH），可氧化降解GSM。投加自由基淬灭剂（叔丁醇）后，去除率下降，证实了该途径的贡献。PDADMAC改性气泡因其表面富集更多OH⁻，能产生更多·OH（验证实验见原文。
- 吸附与捕获：带正电的改性气泡通过静电作用主动吸附带负电的GSM分子。同时，溶液中游离的PDADMAC分子可与GSM形成聚集体，从而被气泡捕集。
PDADMAC的改性同时强化了以上三条途径：它提高了气泡传质效率（增强挥发），增加了表面OH⁻浓度（促进·OH生成），并通过静电和疏水作用增强了对GSM的捕获能力。
实际水体应用与抗干扰能力
共存离子影响
该工艺对常见共存离子（SO₄²⁻, NO₃⁻, CO₃²⁻）具有较好的抗干扰性。Cl⁻在高浓度（0.1 mM）下会作为·OH淬灭剂略微抑制去除效率；Ca²⁺和Mg²⁺则因提升溶液电位、增强气泡稳定性，对去除有轻微促进作用。
天然水体处理效能
将PDADMAC改性微纳米气泡工艺应用于天然地表水（兴庆湖）处理。尽管水中的天然有机物（NOM）会与GSM竞争吸附位点并淬灭·OH，但该工艺对GSM的去除效率仅比在去离子水中下降不到5%，表现出强大的实际应用潜力。
天然水处理效果:
结论与优势
- 高效去除：PDADMAC改性微纳米气泡工艺在最优条件下对GSM的去除率（70.9%）显著高于未改性气泡（46%）。
- 机理明确：去除是挥发、自由基氧化和吸附捕获三者协同作用的结果，改性全面强化了这三条路径。
- 出水友好：优选改性剂PDADMAC的投加量下，出水剩余电位极低，对后续处理工艺影响小。
- 抗干扰性强：对常见水质波动不敏感，在天然水体中仍能保持高效稳定运行。
- 绿色潜力：该工艺无需投加大量化学氧化剂，主要利用空气和少量改性剂，是一种有前景的绿色预处理或深度处理技术。
文献来源 : Journal of Water Process Engineering60 (2024) 105125.
源文献链接 : https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.105125
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