一、纳米气泡简介
纳米气泡(NBs)是直径 1-1000 nm 的微纳气泡,其概念源于 19 世纪 80 年代疏水界面作用力研究,因与经典热力学 “纳米尺度气泡快速溶解” 理论相悖,存在性长期存争议。2000 年胡钧课题组通过纳米成像技术捕获其可视化图像,证实其客观存在,推动其成为跨学科研究热点。
纳米气泡具独特理化特性:比表面积较常规气泡提升 1-3 个数量级,上升速率仅 1-100 μm/s(低 2-4 个数量级),表面 zeta 电位 - 10~-60 mV,稳定性极强,气体溶解效率达常规气泡 20-50 倍,为多领域应用奠定基础。
水中气泡存在气液界面,受水的表面张力作用。球形气泡的表面张力会压缩内部气体,加速其向水中溶解,此过程伴随气泡逐渐缩小。压力上升会进一步提升气体溶解速度,而气泡缩小又会增大比表面积,形成 “压力 - 比表面积” 协同效应,让气泡收缩速率持续加快,最终完全溶解。从理论上看,气泡濒临消失时所承受的压力可达无限大,这一特性在微纳米气泡的溶解机制中尤为关键。
纳米颗粒跟踪分析(NTA)技术是纳米气泡关键表征手段,基于激光散射与布朗运动原理,精准适配 10-1000 nm 尺度及气液分散体系动态特性。相较于 DLS 等传统技术,NTA 突破 “平均化数据” 局限,通过捕捉单个气泡散射信号与布朗运动轨迹,可精细化解析粒径分布,尤其能精准识别保障溶解效率的小粒径气泡,技术优势显著。
二、纳米气泡测试
利用某品牌实验微纳米气泡发生器产生纳米气泡,产生的气泡在4℃下保存。
实验1. 新制得纳米气泡实验
测试结果:最多颗粒的粒径在177.2nm,平均粒径为271.1nm,气泡浓度为3.52*107个/mL。
实验2. 制备8小时后纳米气泡实验
测试结果:最多颗粒的粒径在92.6nm,平均粒径为108.6nm,气泡浓度为3.13*107个/mL。
通过纳米颗粒跟踪分析(NTA)技术对纳米气泡悬浮液进行两次对比测试,结果显示:新制得的纳米气泡大气泡占了多数,小气泡因散射信号微弱几乎不可见;放置一段时间后,大气泡消失,只剩小气泡。这一现象充分验证了表面张力对纳米气泡尺寸演变的主导作用:根据拉普拉斯方程,球形气泡的内压与粒径成反比,表面张力会对气泡产生向内的压缩力,推动内部气体快速溶解于水。大气泡因粒径较大,表面张力引发的内压相对温和,但气体溶解过程中气泡持续缩小,随着粒径减小,内压呈指数级上升,进一步加速气体扩散,最终导致大气泡快速消亡;而小气泡凭借更高的内压平衡与双电层稳定作用,得以长期留存,这一结果与纳米气泡的热力学稳定性理论高度契合。