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纳米气泡的特征

纳米气泡比表面积大的特点符合一般纳米材料规律,也是纳米气泡作为气液技术的重要基础。氢水制造技术有两个关键问题,一个是气体在水中的溶解效率,另一个是氢水的稳定性。纳米气泡可以说完美地解决了这两个问题,不仅有效提高了气液接触面积,而且因为纳米气泡的长寿命提高了氢水的稳定性。
 

气泡表面积与气泡直径呈负相关关系,因此同样体积的气泡,100纳米直径气泡的表面积是10微米直径气泡的表面积的100倍。理论上气泡形成消耗的能量依赖于界面面积,界面面积取决于气泡表面张力。直径小于25微米的小气泡表面刚性强,类似于高压气球,不容易崩解。数毫米直径的大气泡表面比较柔软,很容易变形崩解。大气泡的浮力比较大,很容易上升到液面。
 

气泡上浮速度与气泡直径的平方成正比,这种关系只适用于小气泡。直径大于2毫米的大气泡外形会发生变化,上升速度不受直径影响。直径小于1微米的纳米气泡上升速度非常慢,远低于布朗运动的速度,整体上表现为不上升。
 

除浮力外,直径小于25微米的小气泡有自动收缩趋势。根据亨利定律,溶液中溶解气体的分压与气泡内气体分压一致时,气泡内气体溶解与溶液中气体向气泡内释放达到平衡。小气泡由于表面张力作用内压增加,造成气泡内气体分压超过气泡周围溶解气体分压,这会导致气泡进一步缩小,体积缩小后表面张力效应增强,这种正反馈效应会使气泡迅速崩解。相反,因为大气泡上升,周围静水压下降,内压降低,气泡体积增大后气泡内气体分压降低,溶液中气体向气泡内释放会导致气泡体积逐渐增大,表面张力效应降低,气泡内压进一步降低。所以,在某气体饱和溶液中,这种气体的气泡有大者增大,小者缩小的趋势。气泡的特性非常符合马太效应(见图4-2)。
 

纳米气泡的特征

图4-2 经典气泡的马太效应
 

纳米气泡的较强静电场能避免气泡发生融合,并且能对抗浮力作用。气泡所带电荷大小一般用zeta电位来表示。因气泡在水中带负电,所以zeta电位一般是负值,大多数与气泡直径无关。zeta电位受水的pH值影响非常大,也受到离子强度影响。所有气泡都带负电荷,相互之间的静电排斥力能限制气泡融合。气泡越小,融合需要的能量越大。所以,小气泡可以增大或缩小,但不容易发生融合和崩解。
 

不可溶性气体可以形成超长寿命的纳米气泡。根据杨一拉普拉斯公式,气泡直径越小,内压越大。1微米气泡的内压约为1.4个大气压,100纳米气泡的内压约为14个大气压。纳米气泡内压会达到非常高的水平,足以让内部气体迅速溶解消失。这与纳米气泡具有长寿命的事实不符,说明经典理论本身存在缺陷。所以杨-拉普拉斯公式已经不适用于纳米气泡。有人提出可能是表面材料对表面张力产生的影响,也有人认为是过饱和溶液能降低纳米气泡表面张力,这也是纳米气泡长寿命的原因。若气泡的气-液界面包含表面活性剂如蛋白质或去垢剂,则表面活性剂能降低表面张力,降低气泡内压,增加气泡稳定性。
 

纳米气泡技术是有效的气液混合技术,过去20年,这一技术受到大量研究人员的关注,多数研究集中在微纳米气泡制备、测定和纳米气泡特性分类等方面。

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