微纳米气泡的直观表征方法

2020-12-02

摘要

微纳米气泡因其自身体积小、比表面积大、自身增压溶解等特点,具有广泛的应用价值。但微纳米气泡受气泡发生条件的影响很大,需要依靠准确的检测方法去优化气泡发生条件,检测微纳米气泡的性质。本文借助动态图像法和纳米颗粒跟踪分析技术,分别检测了微米气泡和纳米气泡:通过动态图像法,测得微米气泡的粒径分布、气泡数量、球形度等信息,用于表征、鉴别微米气泡;通过纳米颗粒跟踪分析技术,测得纳米气泡的粒径分布、浓度、电位等信息,用于全面表征纳米气泡的性质。

关键词:微纳米气泡,动态图像法,纳米颗粒跟踪分析技术

 

气泡是生活中见的现象之一。生活中经常能观察到气泡上浮、破裂的现象,这些气泡都是我们肉眼能观察到的大气泡。而实际上,水中除了我们肉眼可见的这些气泡之外,还存在更小尺度的气泡—微纳米气泡。微纳米气泡与肉眼可见的大气泡在粒度、稳定性、比表面积等方面存在很大差异。

微纳米气泡的主要特点包括比表面积大、表面带电荷、自身增压溶解、上升速度慢、产生大量自由基等。在化学反应中,微纳米气泡可用于增加气体与液体的接触面积,促进反应发生。由于微纳米气泡体积小,在水中上升速度慢、存在时间长,也可以用在无土栽培及水产养殖中,用于水体杀菌、增加水体供氧等。微纳米气泡在破裂时还能产生大量自由基,可用于降解常规条件下难以降解的污染物,在工业和环境领域也有很高的环保应用价值。此外,微纳米气泡在清洗工业器件的微孔表面、深层清洁皮肤等方面也有不可替代的应用价值。正是因为有如此广泛的实际应用价值,微纳米气泡目前已成为一个非常有前景的研究热点。

在微纳米气泡的实际生产过程中,不同的气泡发生器、不同的气泡发生条件(压力、温度等)、不同气体等因素,都会直接影响微纳米气泡的粒径分布、浓度以及电位稳定性,进而影响微纳米气泡的质量评估。而微纳米气泡的实际应用价值,也与其粒径、浓度、zeta电位等紧密相关。因此,在微纳米气泡制备及应用过程中,准确地检测微纳米气泡的粒径、浓度和zeta电位,是十分必要的。

 

一、微米气泡的检测

针对微米级的较大气泡,可以通过动态图像法进行直接的拍摄与检测。动态图像法是利用光源直接照射流经检测区的颗粒,并利用CCD检测器获取所有颗粒的实时投影。它可以实时统计所有流经的颗粒的粒径和数量,可以通过颗粒的球形度、长宽比等参数来区分微米气泡与其他类型的物质,还可以通过气泡粒径与浓度的区别来探究不同因素对微米气泡的影响,评估微米气泡的实际应用价值。

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图1.动态图像法的测试原理

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图2.动态图像法检测视野下的微米气泡

我们知道,气泡粒径受气泡发生条件的影响很大。但当我们改变气泡发生压力时,会发现气泡的粒径并非一直随气泡发生压力的变化而变化。我们在实际测试中,尝试不断增大气泡发生压力,再通过动态图像法实时统计气泡的发生效果,得到如下的数据:

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我们发现,当气泡发生压力从0.1MPa增加到0.3MPa时,气泡的粒径(D50%)在不断减小,气泡的数量也在迅速增多;但当气泡发生压力从0.3MPa继续增大时,气泡的粒径和数量一直处于稳定水平,不再有明显的变化。从测定zui优气泡发生压力值的角度来看,0.3MPa是实际应用效果的压力值。

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图3.微米气泡的离散度分析及球形度分析

借助动态图像法,我们还可以从球形度、长宽比等角度,鉴别非气泡类颗粒,统计非气泡颗粒的数目,进一步评估微米气泡测试数据的可靠性。

 

二、纳米气泡的检测

纳米气泡的粒径很小,其在水溶液中的布朗运动速率也很快。所以,纳米气泡很难直接通过图像法进行测试。此时,我们借助纳米颗粒追踪分析技术(Nano-particle Tracking Analysis,NTA)来检测纳米气泡。纳米颗粒追踪分析技术可直接检测纳米气泡在水中的布朗运动轨迹与速率,实时统计检测视野内的纳米气泡数量,由此计算出纳米气泡的粒径和浓度;并通过对气泡溶液施加电场,获取纳米气泡在电场中的电泳运动方向和运动速率,直接计算出纳米气泡的zeta电位,有助于评估气泡稳定性。

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图4.纳米颗粒追踪分析技术检测视野下的纳米颗粒

为了检测不同气泡发生条件引起的纳米气泡差异,我们选用某品牌气泡发生器,利用空气在水介质中制备纳米气泡样品。该气泡发生器有FB1和FB2两个挡位,FB2挡位下水流速度更快。我们分别检测了在不同挡位(FB1和FB2)、不同温度(25℃和45℃)下所产生的纳米气泡的粒径、浓度和zeta电位信息,检测结果如下:

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由以上结果可以看出:

(1)25℃下,由不同气泡发生器挡位得到的纳米气泡样品,其浓度比较接近,均在106个/ml水平;zeta电位值均为负值;但FB2挡位下得到的纳米气泡的粒径更小,zeta电位值更低一些。这可能与FB2挡位下水的高流速、高剪切力有关。

(2)45℃下,不同气泡发生器挡位得到的纳米气泡,其浓度也比较接近,均在107个/ml水平,比25℃下得到的纳米气泡的浓度高得多;粒径一致,均在126nm左右,比25℃下得到的纳米气泡的粒径值都要小;zeta电位均为正值,且数值也更接近。

25℃下产生的纳米气泡的zeta电位为负值,45℃下产生的纳米气泡的zeta电位为正值。由此可以看到,温度对此次测试中纳米气泡的zeta电位影响非常大。

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图5.不同气泡发生条件下得到的纳米气泡的粒径分布

由上图可以更直观地看出,不同条件下得到的纳米气泡样品在粒径和浓度上的差别。

微纳米气泡具有非常广泛的实际应用价值,但气泡发生条件对微纳米气泡的影响很大。如何优化微纳米气泡发生条件,如何快速地确认微纳米气泡的实际发生效果,都依赖于准确可靠的微纳米气泡检测技术。我们通过动态图像法和纳米颗粒跟踪分析技术,从不同的角度表征微纳米气泡,实现对微纳米气泡的准确检测,为微纳米气泡相关的研究工作提供可靠的参考。

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