微納米氣泡的直觀表征方法

2020-12-02

摘要

微納米氣泡因其自身體積小、比表面積大、自身增壓溶解等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用價值。但微納米氣泡受氣泡發(fā)生條件的影響很大，需要依靠準(zhǔn)確的檢測方法去優(yōu)化氣泡發(fā)生條件，檢測微納米氣泡的性質(zhì)。本文借助動態(tài)圖像法和納米顆粒跟蹤分析技術(shù)，分別檢測了微米氣泡和納米氣泡：通過動態(tài)圖像法，測得微米氣泡的粒徑分布、氣泡數(shù)量、球形度等信息，用于表征、鑒別微米氣泡；通過納米顆粒跟蹤分析技術(shù)，測得納米氣泡的粒徑分布、濃度、電位等信息，用于全面表征納米氣泡的性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：微納米氣泡，動態(tài)圖像法，納米顆粒跟蹤分析技術(shù)

氣泡是生活中常見的現(xiàn)象之一。生活中經(jīng)常能觀察到氣泡上浮、破裂的現(xiàn)象，這些氣泡都是我們?nèi)庋勰苡^察到的大氣泡。而實(shí)際上，水中除了我們?nèi)庋劭梢姷倪@些氣泡之外，還存在更小尺度的氣泡—微納米氣泡。微納米氣泡與肉眼可見的大氣泡在粒度、穩(wěn)定性、比表面積等方面存在很大差異。

微納米氣泡的主要特點(diǎn)包括比表面積大、表面帶電荷、自身增壓溶解、上升速度慢、產(chǎn)生大量自由基等。在化學(xué)反應(yīng)中，微納米氣泡可用于增加氣體與液體的接觸面積，促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生。由于微納米氣泡體積小，在水中上升速度慢、存在時間長，也可以用在無土栽培及水產(chǎn)養(yǎng)殖中，用于水體殺菌、增加水體供氧等。微納米氣泡在破裂時還能產(chǎn)生大量自由基，可用于降解常規(guī)條件下難以降解的污染物，在工業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域也有很高的環(huán)保應(yīng)用價值。此外，微納米氣泡在清洗工業(yè)器件的微孔表面、深層清潔皮膚等方面也有不可替代的應(yīng)用價值。正是因?yàn)橛腥绱藦V泛的實(shí)際應(yīng)用價值，微納米氣泡目前已成為一個非常有前景的研究熱點(diǎn)。

在微納米氣泡的實(shí)際生產(chǎn)過程中，不同的氣泡發(fā)生器、不同的氣泡發(fā)生條件（壓力、溫度等）、不同氣體等因素，都會直接影響微納米氣泡的粒徑分布、濃度以及電位穩(wěn)定性，進(jìn)而影響微納米氣泡的質(zhì)量評估。而微納米氣泡的實(shí)際應(yīng)用價值，也與其粒徑、濃度、zeta電位等緊密相關(guān)。因此，在微納米氣泡制備及應(yīng)用過程中，準(zhǔn)確地檢測微納米氣泡的粒徑、濃度和zeta電位，是十分必要的。

一、微米氣泡的檢測

針對微米級的較大氣泡，可以通過動態(tài)圖像法進(jìn)行直接的拍攝與檢測。動態(tài)圖像法是利用光源直接照射流經(jīng)檢測區(qū)的顆粒，并利用CCD檢測器獲取所有顆粒的實(shí)時投影。它可以實(shí)時統(tǒng)計(jì)所有流經(jīng)的顆粒的粒徑和數(shù)量，可以通過顆粒的球形度、長寬比等參數(shù)來區(qū)分微米氣泡與其他類型的物質(zhì)，還可以通過氣泡粒徑與濃度的區(qū)別來探究不同因素對微米氣泡的影響，評估微米氣泡的實(shí)際應(yīng)用價值。

圖1.動態(tài)圖像法的測試原理

圖2.動態(tài)圖像法檢測視野下的微米氣泡

我們知道，氣泡粒徑受氣泡發(fā)生條件的影響很大。但當(dāng)我們改變氣泡發(fā)生壓力時，會發(fā)現(xiàn)氣泡的粒徑并非一直隨氣泡發(fā)生壓力的變化而變化。我們在實(shí)際測試中，嘗試不斷增大氣泡發(fā)生壓力，再通過動態(tài)圖像法實(shí)時統(tǒng)計(jì)氣泡的發(fā)生效果，得到如下的數(shù)據(jù)：

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣泡發(fā)生壓力從0.1MPa增加到0.3MPa時，氣泡的粒徑（D50%）在不斷減小，氣泡的數(shù)量也在迅速增多；但當(dāng)氣泡發(fā)生壓力從0.3MPa繼續(xù)增大時，氣泡的粒徑和數(shù)量一直處于穩(wěn)定水平，不再有明顯的變化。從測定*氣泡發(fā)生壓力值的角度來看，0.3MPa是實(shí)際應(yīng)用效果的壓力值。

圖3.微米氣泡的離散度分析及球形度分析

借助動態(tài)圖像法，我們還可以從球形度、長寬比等角度，鑒別非氣泡類顆粒，統(tǒng)計(jì)非氣泡顆粒的數(shù)目，進(jìn)一步評估微米氣泡測試數(shù)據(jù)的可靠性。

二、納米氣泡的檢測

納米氣泡的粒徑很小，其在水溶液中的布朗運(yùn)動速率也很快。所以，納米氣泡很難直接通過圖像法進(jìn)行測試。此時，我們借助納米顆粒追蹤分析技術(shù)（Nano-particle Tracking Analysis，NTA）來檢測納米氣泡。納米顆粒追蹤分析技術(shù)可直接檢測納米氣泡在水中的布朗運(yùn)動軌跡與速率，實(shí)時統(tǒng)計(jì)檢測視野內(nèi)的納米氣泡數(shù)量，由此計(jì)算出納米氣泡的粒徑和濃度；并通過對氣泡溶液施加電場，獲取納米氣泡在電場中的電泳運(yùn)動方向和運(yùn)動速率，直接計(jì)算出納米氣泡的zeta電位，有助于評估氣泡穩(wěn)定性。

圖4.納米顆粒追蹤分析技術(shù)檢測視野下的納米顆粒

為了檢測不同氣泡發(fā)生條件引起的納米氣泡差異，我們選用某品牌氣泡發(fā)生器，利用空氣在水介質(zhì)中制備納米氣泡樣品。該氣泡發(fā)生器有FB1和FB2兩個擋位，F(xiàn)B2擋位下水流速度更快。我們分別檢測了在不同擋位（FB1和FB2）、不同溫度（25℃和45℃）下所產(chǎn)生的納米氣泡的粒徑、濃度和zeta電位信息，檢測結(jié)果如下：

由以上結(jié)果可以看出：

（1）25℃下，由不同氣泡發(fā)生器擋位得到的納米氣泡樣品，其濃度比較接近，均在106個/ml水平；zeta電位值均為負(fù)值；但FB2擋位下得到的納米氣泡的粒徑更小，zeta電位值更低一些。這可能與FB2擋位下水的高流速、高剪切力有關(guān)。

（2）45℃下，不同氣泡發(fā)生器擋位得到的納米氣泡，其濃度也比較接近，均在107個/ml水平，比25℃下得到的納米氣泡的濃度高得多；粒徑一致，均在126nm左右，比25℃下得到的納米氣泡的粒徑值都要小；zeta電位均為正值，且數(shù)值也更接近。

25℃下產(chǎn)生的納米氣泡的zeta電位為負(fù)值，45℃下產(chǎn)生的納米氣泡的zeta電位為正值。由此可以看到，溫度對此次測試中納米氣泡的zeta電位影響非常大。

圖5.不同氣泡發(fā)生條件下得到的納米氣泡的粒徑分布

由上圖可以更直觀地看出，不同條件下得到的納米氣泡樣品在粒徑和濃度上的差別。

微納米氣泡具有非常廣泛的實(shí)際應(yīng)用價值，但氣泡發(fā)生條件對微納米氣泡的影響很大。如何優(yōu)化微納米氣泡發(fā)生條件，如何快速地確認(rèn)微納米氣泡的實(shí)際發(fā)生效果，都依賴于準(zhǔn)確可靠的微納米氣泡檢測技術(shù)。我們通過動態(tài)圖像法和納米顆粒跟蹤分析技術(shù)，從不同的角度表征微納米氣泡，實(shí)現(xiàn)對微納米氣泡的準(zhǔn)確檢測，為微納米氣泡相關(guān)的研究工作提供可靠的參考。