水中的迷你反應室 氣泡縮小後的新世界

生活中我們最常接觸到的氣泡，當屬喝碳酸飲料時眾多氣泡在嘴裡破裂的爽快刺激感。除此之外，會遇到的其他氣泡似乎再也找不到任何特殊用途，這是因為普通氣泡的尺寸大約在毫米(mm)大小，生成後會極快地上浮至水面破裂。然而，當氣泡被縮小到微米(μm)或奈米(nm)尺寸時，它們的行為將會截然不同，展現出有別於一般氣泡的物理特性，例如比表面積大、穩定存在時間長、上升速度緩慢、界面反應增強，以及具有特殊的表面電荷結構等，也因此衍生出許多應用，從促進溶氧、提升植栽生長、進行殺菌清潔，到改善汙水處理與水產養殖環境。這些氣泡的應用讓我們得以重新認識這些看似微小，卻能帶來成本低廉且對環境友善的水底新世界。

撰文｜穿山甲

日常生活中氣泡的生成是再普通不過的自然現象。沸騰的水會讓溶解在水中的空氣釋出或讓水汽化產生氣泡；碳酸飲料中的二氧化碳會因為瓶蓋開啟，瓶中壓力減小形成氣泡逸出；翻湧的海浪與洗衣機會因為攪動，讓空氣壓入水中而產生氣泡白沫。這些微不足道的氣泡，除了能讓飲料帶來味覺的刺激外，似乎只能被遺留在空氣中任憑消散。然而事實並非如此，這些廉價的氣泡比我們想像中的更加有用，目前已經廣泛應用在汙染處理、優化水質、食品保鮮、物品清潔、水產養殖、農業與植栽培養等領域。

不同類型的小氣泡

雖然氣泡的應用層面廣泛，但也不是所有氣泡都有效果，影響功能最明顯的區別在於尺寸。一般的氣泡尺寸約在毫米(mm)等級，生成後會快速地往上浮起，越往水面壓力越小，體積會逐漸變大，最終於水面崩解。普通氣泡在水中停留的時間過短，應用效果有限。當氣泡的尺寸縮小至微米(μm)，甚至奈米等級(nm)時，氣泡會產生截然不同且特殊的物理性質。國際標準化組織將直徑小於100 μm的氣泡定義為微細氣泡(Fine Bubble)，介於1至100 μm的氣泡定義為微氣泡(Microbubble)，小於1 μm的氣泡定義為超微細氣泡(Ultrafine Bubble)，藉以區別各種尺寸氣泡。在這些尺度下的氣泡，在水中上浮的速度會開始趨緩，微氣泡於水中可存在長達數分鐘至數小時之久，上浮過程會受到水體流動的影響以曲線方式行進，而超微細氣泡在水中通常可以停留數日至數月之久，小一點的氣泡會以布朗運動行進。微細氣泡上浮速度緩慢或能穩定懸浮於液體中，這項特點增加了內部氣體與周圍水體的反應時間，就像個迷你的反應室般，對於汙染處理的應用至關重要。

尺寸造就別具一格的物理特性

微細氣泡由於尺寸非常小，能形成相當大的比表面積。在總體積固定的條件下，氣泡的總表面積與單一氣泡直徑成反比，若氣泡尺寸縮小10倍，則理論上氣體與水的接觸面積就會增加10倍，氣體與水的反應速度也會增加10倍。當然這僅是理想上的算法，可以肯定的是比表面積勢必大幅增加。氣泡中的氣體與周圍水溶液接觸面積增加，能有效讓氣體溶解進液體中，溶解過程又會再度讓氣泡縮小內部壓力增大，持續讓氣泡尺寸縮小直至消散。實際應用上可以使用不同種氣體來達到目標應用的效果，在水產養殖上可以氧氣生成的微細氣泡，提高水池的含氧濃度，即便超過了水中的氧氣已經達到過飽和狀態，仍然可以持續讓氧氣溶解進入池中。高比表面積的特點也會增強微細氣泡在除汙應用的效果。

其次，氣泡破裂時氣液界面劇烈變化，會產生局部高溫與高壓，形成震波與高速微射流，這些能量足以把附著在物體表面或縫隙中的髒汙震落，也可以破壞生物膜或細胞膜，消除水中的微生物與細菌。此外震波也可以將水分子裂解，生成許多氫氧自由基。氫氧自由基具有高的氧化還原電位，是一種極強的氧化劑，可以降解水中許多難以氧化分解的有機汙染物，達到淨化水質的效果，若使用臭氧產生微細氣泡可以加強對有機汙染物的降解能力。氣泡的表面也容易吸附上帶負電的氫氧離子，其外圍又會再次吸引帶正電的離子形成穩定的電雙層，體積越小界面處的電位越高，越容易吸附帶不同電性的汙染物。隨著微細氣泡體積逐漸縮小，界面上的帶電離子會逐漸聚集，在微細氣泡破裂前，表面會形成相當高的電位。透過添加吸附劑與藥劑，可以有效利用與加強以電性吸附汙染物質的特性。帶電性的氣泡也會與其他氣泡互斥，防止氣泡彼此聚集變大並使其均勻分散，讓氣泡可以長時間停留在水中，發揮持續的淨化作用與增氧效果。

微細氣泡也可以應用於水中懸浮物的移除，稱之為浮除法。浮除法是透過微細氣泡將水中的懸浮物，如固體顆粒、油污或藻類等帶往水面，然後以刮除表面物質方式進行物理分離。這種方法特別適合處理微粒小、比重輕或不易沉澱的物質，這類物質沉降速度非常緩慢，若使用傳統的重力沉降法將無法有效去除。根據目標的汙染物質不同，可以選用具特殊功能的氣體，藉以提升懸浮汙染物的移除效果，例如使用臭氧生成的微細氣泡表面電位極高，彼此電性相斥能讓氣泡間保持分離，不容易聚合形成大氣泡，從而增加微細氣泡與汙染物的結合機會，增進浮除法的效率。

原本隨處可見的氣泡，在尺寸縮小後反而會展現出許多有趣的物理特性。這類的氣泡因其上浮速度緩慢、可控制且具有高的比表面積、高的氣體傳輸效率、高的汙染物結合效率，以及可以產生強氧化能力的自由基，在降解廢水中的有機汙染物具有巨大的潛力，還可以應用於化工、農業、養殖等領域。最重要的是微細氣泡使用的設備與材料成本低廉，技術本身對環境也相當友善，不容易產生其他有害的副產物，可以為傳統處理方法提供新的解決路徑，隨著科學家們持續地深入研究，微細氣泡將在未來展現出更多意想不到的可能性。

參考文獻

1. A. D. Gupta, V. K. Jaiswal, K. Chabhadiya, R. S. Singh, M. K. Gupta, and Harinder Singh, “A Critical Review on the Properties and Applications of Bulk Micro and Nanobubbles for the Degradation of Organic Pollutants in Wastewater Treatment,” Science of The Total Environment, vol. 976, p. 179310, 2025.
2. G. Han, S. Chen, S. Su, Y. Huang, B. Liu, and H. Sun, “A Review and Perspective on Micro and Nanobubbles: What They Are and Why They Matter,” Minerals Engineering, vol. 189, p. 107906, 2022.
3. Y. Xiao, H. Liu, C. Sun, D. Wang, L. Li, L. Shao, and J. Hu, “Research Progress of Micro-nano Bubbles in Environmental Remediation: Mechanisms, Preparation Methods, and Applications,” Journal of Environmental Management, vol. 375, p. 124387, 2025.