ナノバブルに重要な要素ゼータ電位

ナノバブルのゼータ電位はなぜ重要なのか

気泡の電気的特性は、ナノバブルがいつどのように合体し、固体粒子や油滴などの他の物質とどのように相互作用するかを決定する上で重要です。これに関する知識は、例えば泡沫分離装置、泡沫浮選、食品加工、表面洗浄、精製などの装置開発に役立ちます。

ウルトラファインバブルを囲む電気二重層

気泡が液体中に浮遊しているとき、気泡は反対電荷を帯びたイオンに囲まれています。ナノバブルの周囲は２つの部分から構成されています。イオン固定層と呼ばれる内側の近くの領域ではイオンが強く結合しており、外側のイオン拡散層ではイオンの結合がそれほど強くありません。外側の領域は、静電力によって保たれた雲のようなものです。それは反対の極性のさまざまなイオンで構成されています。システム全体が電気二重層を形成します。気泡粒子の液体表面での正味電荷の発生は、隣接する界面領域のイオンの分布に影響を与えます。これにより、表面近くの対イオンの濃度が増加します。ナノバブルが液体中を移動すると、境界内のイオンがバブルとともに移動します。境界を越えたイオンは気泡と一緒に移動しません。この境界を流体力学的せん断またはすべり面と呼びます。この表面の電位をゼータ電位といいます。

ゼータ電位の高低とその影響

ゼータ電位はmV単位で測定できます。ゼータ電位は、粒子、気泡、または液滴間の静電荷の反発または引力の大きさを測定します。ゼータ電位は、安定性に影響を与える基本的なパラメーターの1つです。ゼータ電位は、分散、凝集、または沈降の原因についての詳細な洞察を与え、分散液、エマルション（乳剤）、懸濁液の配合改善に活用できます。

H+イオンとOH-イオン

ゼータ電位が高いほど、気泡間の反発により懸濁液中のナノバブルが安定であることを意味します。ゼータ電位が低いと凝固が起こり、安定性が低くなります。ゼータ電位が低いほど、値がゼロに近いことを意味します。ゼータ電位はプラスまたはマイナスのいずれかであり、高いゼータ電位は、高いプラスまたはマイナスの数値のいずれかで安定します。溶液の電荷は、プラスイオンH+またはマイナスイオンOH-に依存します。研究により、蒸留水中の気泡はマイナスに帯電していることが実証されています。蒸留水中の気泡は、平均してpH5.8で-35mVのゼータ電位を持ちます。さまざまな気泡サイズを測定した場合、ゼータ電位の大きさと気泡の直径の間には関係はありません。

H+イオンとOH-イオンが作用する場合、pHも存在し、重要な要素となるため、ゼータ電位を測定するときは常にpHと組み合わせて測定する必要があります。ゼータ電位がマイナスの場合、気体と水の界面はOH-イオンでマイナスに帯電します。水には、H+イオンと比較して過剰なOH-イオンが含まれています。広いpH範囲でのゼータ電位の負の値は、OH-がH+よりも効果的に界面に吸着されていることを示唆しています。ゼータ電位がプラスになる場合があります。これは、より強い酸性条件下、つまりCO2ガスが溶解している場合に発生します。

研究者たちは、OH-の界面への吸着を、H+とOH-の間の水和エネルギーの差、あるいは水素原子が水相の方を向き、酸素原子が気相の方を向いている界面での水の双極子の配向によって、陰イオンの界面への吸引を引き起こしていると説明した。

気体と水の界面の電荷は、水の水素結合ネットワークに関連しています。水溶液中の界面の電荷は、その水溶液内部よりも界面での過剰なH+とOH-によって引き起こされます。これらのイオンは水素結合ネットワークの必須要素であるため、気体と水の界面の構造情報には、水溶液内部よりも界面に多くのこれらのイオンが含まれなければなりません。広いpH範囲における気泡のゼータ電位のマイナスの値は、気体と水の界面の微細構造に影響を与える際に、OH-がH+よりも効果的であることを示唆しています。

アルコール：ウルトラファインバブルに悪影響

アルコールは、メタノール、エタノール、高級アルコールのいずれも、マイナスの値を減少させることによってゼータ電位に悪影響を及ぼします。アルコールは気体と水の界面に吸着する傾向があり、少量のアルコールを添加すると界面の水素結合ネットワークが著しく乱されます。

気泡の安定性については、古い研究では、気泡は溶液中で4日間安定であるのに対し、CO2の気泡は1～2時間しか持続しないことが判明しました。より最近の研究では、完璧な条件下にある実験室のウルトラファインバブルは4～6か月間安定であることが示されています。

安定と不安定なコロイド溶液

ウルトラファインバブルは水中に均一に広がるのか、それとも水中のある領域に集中しているのか疑問に思う人がよくいます。気泡はコロイド内の粒子と同じように動作します。コロイドは、直径が1～1000ナノメートルの範囲の粒子を含む溶液であり、溶液全体に均一に分散したままにすることができます。これらは、物質が分散したままで容器の底に沈まないため、コロイド分散液としても知られています。溶液中に分散した各コロイド粒子は、そのイオン特性と双極性の属性により帯電しています。

ゼータ電位の実態とその用途

園芸と農業

ゼータ電位が高いということは、植物の根にとって安定した溶液であることを意味します。これは、吸収の可能性が高くなるため、栄養素を容易に吸収できるため、プラスに働きます。ゼータ電位が低い植物用養液には、植物の根にとって利用いにくい栄養素がクラスター化していることがわかります。

湖と池の浄化

プロバイオティクス細菌は、廃水洗浄、湖沼・池の浄化、浄化槽の洗浄にとって重要な要素です。プロバイオティクス細菌は好気性であり、エネルギー源として酸素を必要とし、酸素が多ければ多いほど良いのです。プロバイオティクス細菌のサイズは200nm～10,000nmですが、平均的なacnitiナノバブルのサイズは 85～120nm です。プロバイオティクス細菌は、拡散によって環境から栄養素を蓄積します。水中の酸素濃度が高く、ゼータ電位が高いと、これらのポジティブ細菌の繁殖が促進されます。ゼータ電位が高いため、プロバイオティクス細菌の栄養素は溶液中によく分散され、容易にアクセスできるようになります。水溶液のゼータ電位が低いと、栄養素にアクセスしにくくなり、プロバイオティクス細菌が水域を浄化するのに時間がかかります。

水処理

水処理システムでは、ゼータ電位をモニタリングすることで、投与する必要がある化学薬品やウルトラファインバブルの量を知ることができます。

バイオフィルムと生物汚濁

チューブやパイプのゼータ電位が増加すると、膜のバイオフィルムや生物付着が除去され、フィルタの寿命が延びます。

汚泥

粘土やその他の粒子を水中で安定させ、凝集傾向を軽減し、柔らかい汚泥として沈降しません。

フリーラジカル

ファインバブルを高濃度で圧縮すると、圧縮中にゼータ電位が上昇し、気泡周囲のイオン濃度が増加します。数分間の圧縮後、非常に多くの不対電子が形成され、フリーラジカルが生成られます。