综述：微纳米气泡浮选用于海洋溢油修复：连接理论原理与智能现场应用

《Marine Environmental Research》：Micro-nano Bubble Flotation for Marine Oil Spill Remediation: Bridging Theoretical Principles to Intelligent Field Applications

　　

摘要 由于海洋环境的复杂性，当前的溢油响应技术无法满足生态友好和相对较高性能的要求，因此迫切需要突破和创新。微纳米气泡（MNBs）浮选技术呈现出一种有前景的替代方案。它们的尺寸小（1 nm–100 μm）、上升速度低（2.7 nm/s）以及较长的停留时间增加了与细小油滴碰撞和附着的可能性，与传统气泡浮选系统相比，将除油效率提高了 10.3%。本综述分析了该技术的核心理化参数、主流气泡发生装置的特性以及油滴与气泡之间的相互作用机制，证实界面氢键与静电排斥的协同作用是气泡稳定性的核心。然而，该技术面临着理论模型适应性不足、真实海洋环境干扰复杂、工程应用瓶颈以及核心机制缺乏实证证据等挑战。本综述揭示了 MNB 浮选技术的理论局限性及其在真实海洋场景中的应用缺陷，并提出了基于 MNB 的未来海洋溢油修复的潜在框架。为了弥合实验室研究与现场部署之间的差距，未来的研究应优先考虑开发能够动态适应复杂海洋条件的智能 MNB 系统，整合可再生能源，并利用多个过程之间的协同作用。这些进展将实现对海洋溢油的高效、绿色和可持续应急响。

引言 灾难性的排放继续困扰着今天的石油生产和运输，石油污染对生态系统造成严重破坏。这种污染导致动植物大量死亡，并对栖息地造成不可逆转的损害。持续数年的石油污染可以影响盐沼和红树林沼泽数十年，改变生物群落结构并严重破坏生态系统 (Barron et al., 2020)。影响超出了地表水，因为石油可以渗透到深层水域。海浪和洋流引起溢油的物理和化学变化。高密度成分随后可能吸附到悬浮颗粒上或与矿物质结合，导致它们悬浮在水柱中或沉积在海床上 (Wang et al., 2020b)。这使修复工作复杂化，并进一步影响底栖生态系统 (Hettithanthri et al., 2024)。生态系统恢复极其缓慢，可能需要数十年甚至数百年才能恢复到溢油前的状态。此外，海洋溢油构成了重大的经济和社会威胁。因此，海洋石油污染，特别是深水区域的污染，已成为一个关键的全球环境关注点。迫切需要开发管理海洋溢油的创新战略和技术。

当前处理海洋溢油的方法，如化学分散剂和生物修复 (Low et al., 2024)，面临重大挑战。浮油的不确定性和缺乏真实世界模型验证限制了化学分散剂的有效性 (Zhu et al., 2022)，它们还具有不良的生态影响 (Adofo et al., 2022)。此外，它们的性能会受到复杂海洋条件的很大影响，包括高盐度、温度变化、悬浮沉积物和天然有机质，这可能会改变分散剂与油之间的相互作用 (Li et al., 2023c)。虽然生物修复显示出前景，但它存在响应时间慢、修复周期长和微生物活性选择性等问题 (Ouyang et al., 2023)。其有效性受各种因素影响，包括营养物可用性、环境物理化学性质以及化学添加剂、生物表面活性剂和水载自接种的相互作用 (Hazen et al., 2016)。这些因素使生物修复极易受到干扰且难以控制。微生物高度依赖环境条件，导致即使在不同的海洋环境中同种物种的降解率也存在显著差异。这种差异性使专注有效的生物修复策略的实施复杂化，使其不足以独立管理重大溢油事件。因此，传统技术不足以满足当前对海洋溢油处理的需求。

在此背景下，MNB 气浮技术作为一种有前景的溢油处理方法应运而生。MNB 的直径范围为 1 nm 到 100 μm，具有大比表面积，增强了它们与油滴碰撞的可能性 (Jia et al., 2023a; Seridou and Kalogerakis, 2021)。它们的高界面电荷有助于溶液中的稳定性，降低了破裂的风险 (Saththasivam et al., 2016)。之前的研究表明，微纳米气泡 (MNBs) 浮选与传统系统相比，将除油效率提高了 10.3% (Zheng et al., 2015)，优化的 MNB 系统可以在咸性原油乳液中实现超过 99% 的除油率 (Etchepare et al., 2017)。这些结果是在受控的含油废水处理中获得的，它们在复杂海洋溢油条件下的适用性需要进一步的实验验证。与传统技术不同，MNB 气浮不需要化学添加剂，从而防止设备的二次污染。该技术通过与油滴的物理相互作用提供高处理效率，显著缩短处理周期。其通用性使其能够有效管理悬浮在水柱中的油滴，并实现沉积在海床上的油滴的显著分离。目前仍有几个科学和工程挑战尚未解决。这些包括大规模生产尺寸可控、能耗低的分散良好的 MNB，以及改进气泡 - 油接触和整体浮选效率。解决这些问题对于 MNB 气浮技术的广泛采用至关重要。

此外，海上溢油的回收构成了重大挑战，促使开发更高效的船载处理策略和设备。传统的除油工具，如撇油器和围油栏 (Huynh et al., 2026)，以及基于吸附剂的装置 (Hoang et al., 2021a)，面临频繁堵塞、高劳动力成本、空间需求大和能耗高等问题。此外，它们的效率受天气和海况影响很大。聚氨酯 - 稻草吸附剂和原生纤维素基吸收剂是可持续的，但主要适用于近岸溢油 (Chau et al., 2025; Hoang and Pham, 2021)。超疏水多孔聚合物提供快速、选择性、可重复使用的吸附，但风、浪和温度的影响需要进一步研究 (Hoang et al., 2021b)。至关重要的是，这些传统方法主要针对表面油，未能有效解决深层水域中的油滴问题。鉴于这些局限性，本文介绍了一种多策略协作除油系统的新概念，旨在推动未来除油技术向更智能和高效的方向发展。

尽管 MNB 的研究和应用已被广泛记录，但大多数研究是在理想的实验室条件下进行的。真实海水环境和长期运行的影响需要进一步研究。为了解决这一知识空白，本文强调了复杂海洋环境的影响，如盐度、悬浮沉积物和微生物活性。它进一步提出了一个结合监测、智能响应和资源恢复的新综合治理框架。基于气泡物理学，该研究评估了 MNB 浮选技术在真实海洋环境中的可行性和适用性。它表征了不同的气泡发生装置和浮选系统，确定了控制浮选效率的主要因素，并研究了 MNB 与油滴之间的附着机制。结果突出了 MNB 浮选技术作为治疗海洋溢油的绿色、高效方法，并为改善油滴去除提供了理论见解和实践指导。这项工作旨在推进基于浮选的海洋溢油修复方法，并刺激跨学科的进步和创新。

章节片段
微纳米气泡的产生与稳定性：从理想理论到海洋环境挑战
气泡形成通常被描述为一个静态或准静态成核过程，随后是一个涉及聚并和破裂的动态阶段 (Han et al., 2022)。聚并指的是小气泡合并成大气泡。气泡成核的物理条件是恒定时压力下降到临界值以下，成核的驱动力是压力变化 (Huang et al., 2019)。图 1 比较了宏观气泡、微气泡的行为，

微纳米气泡的制备方法
用于制备 MNB 的方法是其广泛应用的基础。根据潜在的生成机制，MNB 通过化学或物理方法生产。与化学方法相比，物理技术操作更容易，控制能力更强，且不需要添加化学试剂，从而消除了二次污染的风险。因此，物理方法更环保，具有更广泛的适用性。

初始油浓度
MNB 浮选技术通常在油浓度低于 500 ppm 的废水中表现良好。研究表明，在此范围内，除油效率随初始油浓度的增加而上升。例如，使用 MB 浮选柱处理中质原油 - 水乳液，将初始油浓度从 200 ppm 增加到 300 ppm，使 165 分钟浮选后的除油效率从 46.29% 提高到 73.12% (Walsh and Younker, 2014)。这种改进

油滴与气泡相互作用的动力学过程及关键阶段
在浮选系统中，油滴与气泡之间的相互作用复杂，并通过控制碰撞、聚并和附着强烈影响浮选效率。图 3a 展示了浮选系统中油滴与气泡之间的相互作用序列 (Yan et al., 2022)。当油滴在气泡表面移动时，可能会出现两种结果：油滴可能从气泡表面脱落，或者它们可能与气泡聚并 (Yan et al., 2020)。与捕获不同

讨论与展望
微纳米气泡提供了一种环境友好且高效的方法来处理海洋溢油，然而海洋环境的复杂性对 MNB 浮选技术的实际应用构成了根本性限制。在浮选系统中，结合 MNB 可获得高的除油效率，各种气泡发生器和浮选配置拓宽了应用选择。然而，实际研究往往低估了海洋环境复杂性如何损害微纳米气泡技术。

CRediT 作者贡献声明
韩思宇：撰写 – 初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。杨景敏：撰写 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，数据整理，概念化。魏小清：验证，调查，数据整理，概念化。包穆泰：验证，资源，调查，概念化。李浩帅：撰写 – 审查与编辑，验证，监督，资源，方法论。

未引用参考文献
Rocha e Silva et al., 2018.

利益冲突
作者声明没有竞争性财务利益。

竞争利益声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
本工作由中国国家自然科学基金 (Grant No. 42476132) 资助。

韩思宇 | 杨景敏 | 魏小清 | 包穆泰 | 李浩帅