気泡サイズの違いとその重要な特性

泡のサイズ

ウルトラファインバブル、ナノバブル、溶存酸素、マイクロバブル、ミリバブル、泡の世界は時に理解しづらく感じます。気泡は水中のガスで満たされた空洞であり、水中に浮遊したままであり、溶存酸素は水中の結合していない酸素分子です。結合していない酸素は異なる挙動をするため、溶存ガスと空洞ガスの違いを理解することが重要です。

ミリバブルは、直径が1ミリメートルより小さいですが、1マイクロメートルより大きい気泡です。マイクロバブルとは、直径10～50μmの小さな気泡で、徐々にサイズが小さくなり、最終的には水中で消えてしまいます。ナノバブルまたは正式にはウルトラファインバブルは、液体中の直径200nm未満の極小の気泡であり、通常のミリバブルとは異なるいくつかのユニークな物理的性質を持っています。それらは、ゼータ電位によって計算できるマイナスに帯電した表面のため、水中で長期間安定に留まります。これは、ミリバブルのようにサイズが大きくなり、急速に上昇し、水面で破裂するのと同じです。

気泡が小さいほど表面積が拡大するため反応性が向上します

同じ体積の水において、小さな気泡で満たされた水の気泡間の接触面積は、より大きな気泡で満たされた水よりもはるかに大きくなります。接触面積の増加により、酸素ガスによる液中の好気性菌の活動や、窒素気泡の発生による嫌気性菌の活動が促進され、供給されたガス成分と液体成分との化学反応効率が向上します。実際の応用では、CO2は藻類にとって利用しやすく、O2は植物の根や土壌浄化における好気性細菌にとって利用しやすくなります。

これを数学的に見ると、次のようになります。生成されるとき、小さな泡は、大きな泡よりも高濃度で生成される可能性があります。ある体積の気泡の表面積は気泡の直径に反比例します。したがって、直径100nmのバブル1mL（2x10.15バブル）は、0.1mmバブル1 mL（2x10.6バブル、0.24 m2）よりも1000倍の表面積（240 m2）を持ちます。

3つの気泡構成要素

気泡には、気体そのもの、そのまわりを取り囲む包囲物質、水または液体の 3 つの構成要素があります。気体は気泡内のガスであり、単一ガスまたはガス混合物です。包囲物質の材料は気体を取り囲む水または液体です。気泡の形成と気泡の機械的特性は、包囲物質材料の特性に依存します。最後の成分は液体で、包囲物質を取り囲む液体または混合溶液です。

さらに、ファインバブルは表面が帯電しているため、マイクロバブルの崩壊に伴ってフリーラジカルが発生します。さらに、一部の研究者は、気泡が水溶液中で擬似弾性を持ち、球状であることを報告しました。流体力学特性に関しては、気泡は液相中での上昇速度が遅く、低減摩擦抵抗が小さくなります。

純水中の気泡はマイナスに帯電します。酸素の微細気泡を含む水中で測定されたゼータ電位は、-45mV～-34mVでしたが、空気の微細気泡は少し低く、-20mV～-17mVでした。大きな比表面積と帯電した表面により、小さな気泡が反対の帯電した分子や小さな粒子を効果的に吸収できます。

マイクロバブルの表面張力とガス圧

小さな気泡内のガス圧力は大きな気泡よりも高いため、小さな気泡の表面張力も同様に高くなります。このため、小さな気泡のガスは、大きな気泡よりも早く溶解します。小さな泡は、大きな泡よりもゆっくりと水面の上に上昇します。これは、この余分な時間により、気泡から液体へのガス変換がより効率的になるためです。小さな気泡は大きな気泡に比べて合体が少ない（くっつきにくい）ため、気泡が大きくなると表面への上昇が早くなり、ガス変換の時間が短縮されるため、これは有益です。

以下の表には、気泡のサイズに応じた気泡内部の圧力の例が示されています。計算はヤングラプラス方程式に基づいています。

水中の気泡の直径と気泡内の圧力

水中の気泡の直径は浮力と上昇速度に反映されます。上昇速度は溶液の性質に依存し、レイノルズ数は直径約100μmで約1に相当します。さらに、Re<1の場合、球状気泡界面のフラックス条件により気泡が球として振る舞うため、ストークスの定理がよく適応します。表にはストークスの定理に基づいて、異なる気泡サイズと水中での気泡の上昇速度の 3 つの例が示されています。ウルトラファインバブルは非常に小さく、液体中をランダムに移動するため、ストークスの定理は適用されません。

気泡の直径と水中での気泡の上昇速度 (v s)

溶解度、安定性、形状定義、固体特性、分配係数、イオン化定数などの化合物の物理化学的特性を理解することが不可欠です。マイクロ・ナノバブルの物理化学的特徴としては、表面積が大きいことと、気泡内の気体の圧力が高いことが挙げられ、これにより気泡の高い気体溶解能力がもたらされます。気泡のサイズが小さいほど、水中の酸素圧力 pO2 値は高くなります。これは、ナノバブルがマイクロバブル（直径10～50マイクロメートル）よりも水中の pO2 値を大幅に増加させることを示唆しています。

ウルトラファインバブルはなぜ長時間存在できるのでしょうか？

実験室の状況では、気泡は3～6か月保持される可能性がありますが、実際の用途ではそれははるかに短くなります。ウルトラファインバブルが長期間存在する理由として考えられるのは、ウルトラファインバブルの気体と液体の界面が帯電し、表面張力に逆らう力が生じ、その消散が遅くなるか妨げられることです。電解質溶液中では、表面がマイナスに帯電しているため、陽イオンがガス核の周囲に集中し、ガスの分散を防ぐ殻として機能します（塩析現象）。 このようなイオン挙動の特性により、ウルトラファインバブルは電解液中で6ヶ月以上安定して保たれます。