أحجام فقاعات النانو وخصائصها الفيزيائية

حجم الفقاعات

فقاعات متناهية الصغر، فقاعات نانوية، أكسجين مذاب، فقاعات صغيرة، فقاعات ملي، عالم الفقاعات يمكن أن يكون مربكًا في بعض الأحيان. الفقاعات عبارة عن تجاويف مملوءة بالغاز في الماء، وتبقى معلقة في الماء ، والأكسجين المذاب عبارة عن جزيئات أكسجين غير مرتبطة في الماء. يتصرف الأكسجين غير المرتبط بشكل مختلف، ومن المهم فهم الفرق بين الغاز المذاب وتجويف الغاز.

فقاعات ملي هي فقاعات يقل قطرها عن ملليمتر واحد ، لكنها أكبر من ميكرومتر واحد. الفقاعات الصغيرة عبارة عن فقاعات صغيرة يتراوح قطرها بين 10 إلى 50 ميكرومتر ويتناقص حجمها وتختفي أخيرًا تحت الماء. فقاعات النانو أو الفقاعات المتناهية الصغر رسميًا هي فقاعات غازية مصغرة في سوائل يبلغ قطرها أقل من 200 نانومتر ولها العديد من الخصائص الفيزيائية الفريدة بخلاف الفقاعات الملي العادية. تظل مستقرة في الماء لفترة طويلة بسبب سطحها المشحون سالبًا والذي يمكن حسابه من خلال إمكانات زيتا ، حيث تزداد الفقاعات الملي في الحجم وترتفع بسرعة وتنفجر عند سطح الماء.

تتمتع الفقاعات الأصغر بفاعلية أفضل عن طريق تكبير مساحة السطح

في نفس حجم الماء، تكون مساحة الاتصال بين الفقاعات في الماء المملوء بالفقاعات الصغيرة أكبر بكثير من الماء المملوء بالفقاعات الكبيرة. تزيد زيادة مساحة الاتصال من النشاطات البكتيرية الهوائية في السائل عن طريق استخدام غاز الأوكسجين أو الأنشطة اللاهوائية من خلال إنشاء فقاعات النيتروجين. علاوة على ذلك، يزيد الكفاءة في التفاعلات الكيميائية بين الغاز المزود ومكونات السائل. في التطبيقات العملية، يتوفر ثاني أكسيد الكربون بسهولة للطحالب ويتوفر الأكسجين بسهولة لجذور النباتات أو البكتيريا الهوائية في تنقية التربة.

في الصورة، عند النظر إلى ذلك رياضيا: يمكن إنشاء فقاعات صغيرة بتراكيز أعلى من الفقاعات الأكبر. مساحة سطح حجم من الفقاعات تتناسب عكسيا مع قطر الفقاعة؛ وبالتالي، فإن 1 مل من فقاعات القطر 100 نانومتر (2x10.15 فقاعة) لديها 1000 مرة أكثر سطحًا (240 م2) من 1 مل من فقاعات القطر 0.1 ملم (2x10.6 فقاعة، 0.24 م2).

المكونات الثلاثة للفقاعة

تحتوي الفقاعات على 3 مكونات: المرحلة الغازية، مادة الغلاف، المرحلة المائية أو السائلة. المرحلة الغازية هي الغاز داخل الفقاعة، والذي يمكن أن يكون غازًا واحدًا أو خليطًا من الغازات. مادة الغلاف أو الماء أو السائل المحيط بمرحلة الغاز. يعتمد تكوين الفقاعات والخصائص الميكانيكية للفقاعات على خاصية مادة الغلاف. المكون الأخير هو الأطوار المائية، وهي عبارة عن المحلول السائل أو المركب المحيط بمادة الغلاف.

علاوة على ذلك، تتميز الفقاعات الدقيقة بسطح مشحون كهربائياً، مما يتيح لها القدرة على إنتاج الجذور الحرة عند انهيار الفاقاعات الدقيقة. وبالإضافة إلى ذلك، ذكر بعض الباحثين أن فقاعات الهواء الدقيقة كانت مرنة وكروية في المحاليل المائية. وفيما يتعلق بالخصائص الديناميكية للسوائل، فإن الفقاعات لديها سرعة ارتفاع منخفضة في المرحلة السائلة ومقاومة احتكاك منخفضة.

الفقاعات في الماء النقي مشحونة سلبًا. كانت إمكانات زيتا المقاسة في الماء مع فقاعات الأكسجين الدقيقة من -45 مللي فولت إلى -34 مللي فولت بينما تكون فقاعات الهواء الدقيقة أقل قليلاً والتي تتراوح من -20 مللي فولت إلى -17 مللي فولت. تتيح مساحة السطح المحددة الكبيرة والسطح المشحون أن تمتص الفقاعات الصغيرة الجزيئات المشحونة المعاكسة و / أو الجزيئات الصغيرة بشكل فعال.

التوتر السطحي وضغط الغاز للفقاعات الدقيقة

الضغط داخل فقاعة صغيرة أعلى من ضغط فقاعة كبيرة، لذلك فإن التوتر السطحي لفقاعة صغيرة أعلى أيضاً. ولهذا السبب، يتم حل الغاز في فقاعة صغيرة بشكل أسرع من الفقاعة الكبيرة. وترتفع فقاعة صغيرة ببطء أكبر من الفقاعات الكبيرة نحو سطح الماء، وذلك بسبب الوقت الإضافي الذي يتم فيه نقل الغاز من الفقاعة إلى السائل، مما يجعل عملية نقل الغاز أكثر كفاءة. كما أن الفقاعات الصغيرة تتحد أقل من الفقاعات الكبيرة، مما يعد مفيداً، حيث أنه عندما تكبر الفقاعات، ترتفع بسرعة أكبر نحو السطح، مما يعطيها وقتاً أقل لنقل الغاز.

وفي الجدول أدناه يتم إعطاء أمثلة عن الضغط داخل الفقاعة اعتماداً على حجم الفقاعة، وتعتمد الحسابات على معادلةيونغ-لابلاس.

قطر الفقاعة مقابل الضغط داخل الفقاعة في الماء

ينعكس قطر الفقاعات في الماء في معدل الطفو والارتفاع. تعتمد سرعة الصعود على خصائص المحلول، ويتوافق عدد رينولدز بحوالي 1 عند نحو 100 ميكرومتر في القطر. بالإضافة إلى ذلك، في حالة Re < 1 ، تتكيف قانون ستوكس جيدًا لأن الفقاعات تتصرف ككرات بسبب شروط التدفق على واجهة الفقاعات الكروية. تعتمد الجدول أدناه على قانون ستوكس ويتضمن 3 أمثلة لأحجام فقاعات مختلفة وسرعة صعود الفقاعة في الماء. بما أن الفقاعات فائقة الدقة صغيرة جدًا وتتحرك عشوائيًا في السائل، فإن قانون ستوكس لا ينطبق عليها.

قطر الفقاعة مقابل سرعة ارتفاع الفقاعة في الماء (vs)

فهم الخصائص الفيزيكوكيميائية لمركب مثل الذوبانية، والاستقرار، وتحديد الشكل، وخصائص الحالة الصلبة، ومعامل التقسيم وثوابت التأين أمر ضروري. بين الخصائص الفيزيكوكيميائية لفقاعات النانو الدقيقة، توجد مساحة محددة كبيرة وزيادة ضغط الغاز داخل الفقاعة، مما يمنح هذه الفقاعات قدرة عالية على إذابة الغاز. كلما انخفض حجم الفقاعة، زادت قيم ضغط الأكسجين pO2 في الماء، مما يشير إلى أن فقاعات النانو تزيد قيم pO2 في الماء بدرجة أكبر من تلك المتعلقة بالفقاعات الدقيقة (بقطر 10-50 ميكرومتر).

لماذا تبقى الفقاعات فقائقة الدقة على قيد الحياة لفترة طويلة؟

في ظروف المختبر ، هناك احتمالات أن الفقاعات يمكن أن تبقى لمدة 3 إلى 6 أشهر ، أما في تطبيقات الحياة الواقعية أقصر بكثير. السبب المحتمل للوجود طويل الأمد للفقاعة متناهية الصغر هو أن واجهة غاز / سائل الفقاعة متناهية الصغر مشحونة ، مما يؤدي إلى قوة معاكسة للتوتر السطحي ، مما يؤدي إلى إبطاء أو منع تبديدها. في محلول الإلكتروليت ، تتركز الأيونات الموجبة حول نواة الغاز بسبب سطحها المشحون سالبًا وتعمل كأغلفة تمنع الغاز من الانتشار (ظاهرة التمليح). بسبب هذه الخاصية لسلوك الأيونات ، تظل الفقاعات متناهية الصغر مستقرة لأكثر من 6 أشهر في محلول الإلكتروليت.