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，具有廣泛的應用價值。但微納米氣泡受氣泡發生條件的影響很大，需要依靠準確的檢測方法去優化氣泡發生條件，檢測微納米氣泡的性質。本文借助動態圖像法和納米顆粒跟蹤分析技術，分別檢測了微米氣泡和納米氣泡：通過動態圖像法，測得微米氣泡的粒徑分布、氣泡數量、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，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。

關鍵詞：微納米氣泡，動態圖像法，納米顆粒跟蹤分析技術

氣泡是生活中常見的現象之一。生活中經常能觀察到氣泡上浮、破裂的現象，這些氣泡都是我們肉眼能觀察到的大氣泡。而實際上，水中除了我們肉眼可見的這些氣泡之外，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包括比表面積大、表面帶電荷、自身增壓溶解、上升速度慢、產生大量自由基等。在化學反應中，微納米氣泡可用于增加氣體與液體的接觸面積，促進反應發生。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養殖中，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生大量自由基，可用于降解常規條件下難以降解的污染物，在工業和環境領域也有很高的環保應用價值。此外，微納米氣泡在清洗工業器件的微孔表面、深層清潔皮膚等方面也有不可替代的應用價值。正是因為有如此廣泛的實際應用價值，微納米氣泡目前已成為一個非常有前景的研究熱點。

在微納米氣泡的實際生產過程中，不同的氣泡發生器、不同的氣泡發生條件（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、濃度以及電位穩定性，進而影響微納米氣泡的質量評估。而微納米氣泡的實際應用價值，也與其粒徑、濃度、zeta電位等緊密相關。因此，在微納米氣泡制備及應用過程中，準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，可以通過動態圖像法進行直接的拍攝與檢測。動態圖像法是利用光源直接照射流經檢測區的顆粒，并利用CCD檢測器獲取所有顆粒的實時投影。它可以實時統計所有流經的顆粒的粒徑和數量，可以通過顆粒的球形度、長寬比等參數來區分微米氣泡與其他類型的物質，還可以通過氣泡粒徑與濃度的區別來探究不同因素對微米氣泡的影響，評估微米氣泡的實際應用價值。

圖1.動態圖像法的測試原理

圖2.動態圖像法檢測視野下的微米氣泡

我們知道，氣泡粒徑受氣泡發生條件的影響很大。但當我們改變氣泡發生壓力時，會發現氣泡的粒徑并非一直隨氣泡發生壓力的變化而變化。我們在實際測試中，嘗試不斷增大氣泡發生壓力，再通過動態圖像法實時統計氣泡的發生效果，得到如下的數據：

我們發現，當氣泡發生壓力從0.1MPa增加到0.3MPa時，氣泡的粒徑（D50%）在不斷減小，氣泡的數量也在迅速增多；但當氣泡發生壓力從0.3MPa繼續增大時，氣泡的粒徑和數量一直處于穩定水平，不再有明顯的變化。從測定*氣泡發生壓力值的角度來看，0.3MPa是實際應用效果的壓力值。

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，統計非氣泡顆粒的數目，進一步評估微米氣泡測試數據的可靠性。

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動速率也很快。所以，納米氣泡很難直接通過圖像法進行測試。此時，我們借助納米顆粒追蹤分析技術（Nano-particle Tracking Analysis，NTA）來檢測納米氣泡。納米顆粒追蹤分析技術可直接檢測納米氣泡在水中的布朗運動軌跡與速率，實時統計檢測視野內的納米氣泡數量，由此計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動方向和運動速率，直接計算出納米氣泡的zeta電位，有助于評估氣泡穩定性。

圖4.納米顆粒追蹤分析技術檢測視野下的納米顆粒

為了檢測不同氣泡發生條件引起的納米氣泡差異，我們選用某品牌氣泡發生器，利用空氣在水介質中制備納米氣泡樣品。該氣泡發生器有FB1和FB2兩個擋位，FB2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℃）下所產生的納米氣泡的粒徑、濃度和zeta電位信息，檢測結果如下：

由以上結果可以看出：

（1）25℃下，由不同氣泡發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。

（2）45℃下，不同氣泡發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，且數值也更接近。

25℃下產生的納米氣泡的zeta電位為負值，45℃下產生的納米氣泡的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際應用價值，但氣泡發生條件對微納米氣泡的影響很大。如何優化微納米氣泡發生條件，如何快速地確認微納米氣泡的實際發生效果，都依賴于準確可靠的微納米氣泡檢測技術。我們通過動態圖像法和納米顆粒跟蹤分析技術，從不同的角度表征微納米氣泡，實現對微納米氣泡的準確檢測，為微納米氣泡相關的研究工作提供可靠的參考。