摘要：本研究通过非侵入式数字图像识别技术，系统探究了表面张力对金属多孔平板表面微气泡生成特性的影响。实验采用十二烷基硫酸钠（SDS）溶液调控液相表面张力（49-72 mN/m），结合高速相机与MATLAB图像处理算法，分析了不同表面张力条件下气泡平均直径（dav）及其分布特征。

一、表面张力与微气泡生成的理论关联

在多孔平板表面曝气制备微气泡的过程中，表面张力是决定气泡形成与稳定性的关键物理参数。根据Young-Laplace方程（ΔP=2σ/r），表面张力σ与气泡形成所需的压力差ΔP呈正相关关系。当液体表面张力降低时，气泡在微孔中所需的临界压力随之减小，这直接影响了气泡的生成效率和尺寸分布。实验中通过添加不同浓度的十二烷基硫酸钠（SDS）溶液，系统性地调节了液相表面张力，从72 mN/m（纯水）降至49 mN/m（0.346 mol/m³SDS溶液）。这种梯度调控为研究表面张力对气泡生成特性的影响提供了精确的实验条件。

二、实验方法与表面张力调控策略

研究团队采用非侵入式数字图像识别技术，通过高速相机（GO-5000M-USB）捕捉透明矩形流道内动态生成的微气泡。为量化表面张力的影响，实验设计了四组SDS溶液体系：

W（纯水）：72 mN/m

S1-S4（SDS浓度0.035-0.346 mol/m³）：表面张力范围49-72 mN/m

通过Delta-8全自动91视频免费福利实时监测液相表面张力，并结合MATLAB图像处理算法，实现了对1200个气泡样本的精准尺寸测量。特别值得注意的是，实验中采用的图像处理流程（高斯滤波→灰度增强→imfindcircles函数识别）有效排除了背景噪声干扰，确保了低表面张力体系下微小气泡的可检测性。

三、表面张力对气泡生成动力学的直接影响

3.1气泡脱离机制的转变

当表面张力从72 mN/m降至49 mN/m时，气泡平均直径（dav）呈现显著下降趋势（图1）。这种变化源于三个关键机制的协同作用：

孔隙激活阈值降低：根据Young-Laplace方程，低表面张力体系下微孔激活所需压力差减少约45%（ΔP从288 Pa降至156 Pa r=20μm），使得更多小孔径（<10μm）被激活参与气泡生成。

脱附力平衡重构：表面张力降低使限制气泡脱离的表面张力作用力Fσ（Fσ=2πrσ）减小，而促使脱附的剪切力Fτ（Fτ=λρu²/8）保持相对稳定，导致气泡在生长阶段更早脱离平板表面。

聚并抑制效应：Abadie等的研究表明，低表面张力体系中气泡表面更易形成刚性膜结构，这显著降低了气泡间的聚并概率。实验数据证实，当σ<50 mN/m时，相邻气泡的聚并发生率下降62%。

3.2尺寸分布特征演变

表面张力变化不仅影响平均尺寸，还深刻改变了气泡尺寸分布形态（图2）。随着σ降低：

分布曲线峰值从25%向更高密度值迁移，当σ=49 mN/m时达到32%

尺寸跨度从100-1100μm压缩至80-700μm

尾部大尺寸气泡（>500μm）占比由28%降至14%

这种均一化趋势源于低表面张力体系中气泡生成过程的同步性增强。当σ=49 mN/m时，97%的气泡在孔隙激活后20ms内完成脱离，而高σ体系下该同步性指标仅达73%。

四、表面张力与其他参数的耦合效应

4.1与表观气速的交互作用

在表观气速ug=0.1-0.3 m/s范围内，表面张力对气泡尺寸的调控作用呈现非线性特征。当ug>0.2 m/s时，高表观气速引发的惯性力（Fg=πd²ρgug/4）增强，部分抵消了低σ带来的尺寸减小效应。实验数据显示，在ug=0.3 m/s条件下，σ从72降至49 mN/m仅使dav减少18%，较ug=0.1 m/s时的32%减幅显著降低。

4.2与液相黏度的协同机制

表面张力与黏度（μ）的共同作用形成了复杂的调控网络。在1.32-2.82 mPa·s黏度范围内，最佳气泡尺寸出现在σ=53 mN/m（S3体系）时。此时：

黏度增加带来的曳力（Fd=0.5ρW²πd²[24μ/(ρWd)+1]）与表面张力降低的协同效应达到平衡

气泡脱离时的Weber数（We=ρu²d/σ）维持在临界值附近（0.3-0.5）

这种协同机制解释了为何在σ=49 mN/m时，当黏度超过1.94 mPa·s会出现dav反弹现象——过高的黏度削弱了表面张力降低带来的脱离促进效应。

五、经验模型中的表面张力参数化

研究团队建立的预测模型将表面张力作为核心参数纳入无量纲关联式：

$$frac{d_{mathrm{av}}}{d_{max}}=K C a^b{Re}^cleft(frac{u_{mathrm{g}}}{u_{mathrm{L}}}right)^f$$

其中毛细管数Ca=μuL/σ直接反映了表面张力与黏度-流速的耦合关系。模型拟合显示：

当σ从72降至49 mN/m时，Ca降低42%，导致dav/dmax下降0.28

在最优参数组合下（σ=53 mN/m,μ=1.32 mPa·s），模型预测误差控制在±15%以内

值得注意的是，引入最大孔径dmax作为修正参数后，模型对低表面张力体系的预测精度提升23%。这揭示了孔径分布异质性对表面张力效应的放大作用——在σ<50 mN/m时，小孔径（<5μm）贡献的气泡数量占比从18%跃升至37%。

六、工程应用启示

该研究为工业微气泡制备提供了关键设计准则：

1.表面活性剂选择：在需要最小气泡尺寸的应用中（如水体净化），推荐将表面张力控制在50-55 mN/m区间，此时可获得最佳尺寸-分布平衡。

2.多孔材料设计：对于低表面张力体系（σ<50 mN/m），应优先选用孔径分布更窄的多孔介质（如5μm平均孔径板），以充分利用小孔径的尺寸调控优势。

3.操作参数优化：在表面张力低于临界值（约55 mN/m）时，应适当降低表观气速（ug<0.2 m/s）以维持尺寸均一性，避免惯性效应的负面作用。

七、研究局限与未来方向

尽管本研究揭示了表面张力在微气泡生成中的核心作用，但仍存在两个待解决的科学问题：

1.动态表面张力效应：当前研究基于静态表面张力测量，实际生成过程中表面活性剂的吸附-脱附动态可能改变局部σ值，需开展时间分辨表面张力监测研究。

2.三维流场影响：实验中采用的矩形流道可能产生壁面效应，未来需结合PIV技术解析三维流场对表面张力效应的空间分布影响。

这项工作通过系统的实验设计和创新的图像分析方法，首次定量揭示了表面张力在微孔曝气法制备微气泡中的多重调控机制。其建立的参数化模型为工业传质设备的优化设计提供了坚实的理论基础，特别是在需要精确控制气泡尺寸的生物反应器和精细化工领域具有重要应用价值。