Nanobubbel Afmetingen en Fysische Eigenschappen Verklaard
Bubbel maten
Ultrafijne bubbels, Nanobubbels, opgeloste zuurstof, microbubbels, milli-bubbels, de wereld van bubbels kan soms verwarrend zijn. Bubbels zijn gasgevulde holtes in water, die gesuspendeerd in water blijven, opgeloste zuurstof zijn ongebonden zuurstofmoleculen in water. Ongebonden zuurstof gedraagt zich anders en het is belangrijk om het verschil tussen een opgelost gas en een gasholte te begrijpen.
Milli-bubbels zijn bubbels die kleiner zijn dan 1 millimeter in diameter, maar groter dan 1 micrometer. Microbubbels zijn kleine bubbels met een diameter tussen 10 en 50 μm en nemen af in grootte en verdwijnen tenslotte onder water. Nanobubbels die officieel ultrafijne bubbels heten zijn miniatuurbubbels in vloeistoffen met een diameter kleiner dan 200 nm, en hebben verschillende unieke fysische eigenschappen, anders dan gewone milli-bubbels. Ze blijven lang stabiel in water door hun negatief geladen oppervlak, dat kan worden berekend door het zeta-potentieel, terwijl de milli-bubbels in grootte toenemen stijgen, en bij het wateroppervlak barsten de bubbels.
Kleinere bubbels hebben een betere reactiviteit door oppervlaktevergroting
In hetzelfde volume water is het contactgebied tussen bubbels in water gevuld met kleine bubbels veel groter dan water gevuld met grotere bubbels. De toename van het contactgebied (oppervlak) verbetert d.w.z. de aerobe bacterieactiviteiten in de vloeistof door gebruik te maken van zuurstof of anaerobe bacteriën kunnen de werkzaamheden door vergroten door het creëren van stikstofbubbels. De efficiency van chemische reacties wordt verhoogd tussen het gas en vloeibare ingrediënten. In praktische toepassingen is CO2 gemakkelijker voor algen beschikbaar, en O2 is makkelijker beschikbaar voor plantenwortels of aerobe bacteriën in bodemsanering.
In de afbeelding zien we dat wiskundig: kleine bubbels kunnen worden gecreëerd bij hogere concentraties dan grotere bubbels. Het oppervlak van een volume bubbels is omgekeerd de verhouding van de bubbeldiameter; daarom hebben bubbels in 1 ml water met de bubbel diameter van 100 nm (2x10.15 bubbels) 1000 keer meer oppervlak (240 m2) dan 1 ml water van 0,1 mm belletjes (2x10.6 bubbels, 0,24 m2).
De drie bubble componenten
Bubbels bestaan uit 3 componenten, gasfase, schelp/membraan en waterige of vloeibare fase. De gasfase is het gas in de bubbel, die een enkelgas of een gasmengsel is. De membraan, water of een vloeistof die de gasfase omringt. De vorming van bubbels en de mechanische eigenschappen van bubbels hangt af van de eigenschap van het membraanmateriaal. Het laatste bestanddeel is de waterige fasen die de vloeibare of gecombineerde oplossing die het membraanmateriaal omringt.
Bovendien hebben fijne bubbels een elektrisch geladen oppervlak dat ze in staat stelt om vrije radicalen te genereren met de microbubbel-ineenstorting. Daarnaast meldden sommige onderzoekers dat lucht microbubbel pseudo-elastisch en bolvormig waren in waterige oplossingen. Wat de vloeibare dynamische eigenschappen betreft, hebben bubbels een lage stijgsnelheid in de vloeibare fase en een lage vermindering van de wrijvingsweerstand.
Bubbels in zuiver water zijn negatief geladen. Het zeta potentieel gemeten in water met zuurstof fijne bubbels was van -45 mV tot -34 mV terwijl de lucht fijne bubbels een beetje lager is, van -20 mV tot -17 mV. Het grote specifieke oppervlakte en geladen oppervlak zorgen ervoor dat kleine bubbels effectief absorberen tegenover elkaar geladen moleculen en / of kleine deeltjes.
Microbubbel Oppervlaktespanning en gasdruk
De gasdruk in een kleine bubbel is hoger dan in een grote bubbel, daarom is ook de oppervlaktespanning van een kleine bubbel hoger. Om deze reden lost het gas van een kleine bubbel sneller op dan die van een grote bubbel. Kleine bubbels stijgen langzamer dan grote bubbels naar de bovenkant van het wateroppervlak. Door deze extra tijd is het gasvervoer van bubbel naar vloeistof efficiënter. Een kleine bubbel smelt minder samen dan een grote bubbel. Dit is gunstig, omdat wanneer bubbels groter worden, ze sneller op het oppervlak komen, waardoor ze minder tijd krijgen om het gas op te lossen.
In de tabel hieronder worden voorbeelden gegeven van de druk in de bubbel, afhankelijk van de grootte van de bubbel. De berekeningen zijn gebaseerd op de Young-Laplace-vergelijking.
Diameter van een bubbel versus de druk in de bubbel in water
| Diameter bubbel | Druk binnen de bubbel in water |
|---|---|
| 1 mm | 1.003 atm. |
| 100 μm | 1.03 atm. |
| 10 μm | 1.29 atm. |
| 1 μm | 3.9 atm. |
| 500 nm | 5.8 atm. |
| 300 nm | 9.7 atm. |
| 200 nm | 14.6 atm. |
| 100 nm | 29.7 atm. |
De diameter van de bubbel in water wordt weerspiegeld in drijfvermogen en stijgsnelheid. De stijgsnelheid hangt af van de oplossingseigenschappen, en het Reynoldsnummer komt overeen met ongeveer 1 bij ongeveer 100 μm diameter. Bovendien, in het geval van Re <1, is de wet van Stokes van toepassing. Op basis van de wet van Stokes worden in de tabel 3 voorbeelden gegeven van verschillende bubbel grootten en de stijgsnelheid van een bubbel in water. Aangezien ultrafijne bubbels zo klein zijn en willekeurig door de vloeistof gaan, is de Stokes wet niet van toepassing op hen.
Diameter van een bubbel versus stijgende snelheid van bubbel in water (v s)
| Diameter of a bubbel | Stijgsnelheid van een bubbel in water (v s) |
|---|---|
| 100 μm | 5440 μm/s |
| 10 μm | 54.4 μm/s = 19.6 cm/h |
| 1 μm | 0.544 μm/s = 2.0 mm/h |
Het begrijpen van de fysicochemische eigenschappen van een verbinding zoals oplosbaarheid, stabiliteit, vormdefinitie, vaste-stof eigenschappen, partitiecoëfficiënt en ionisatie constanten is essentieel. Onder de fysisch-chemische eigenschappen van micro-nano bubbels is er een groot specifiek gebied en de hoge druk van gas in de bubbel, die deze bubbels hoge gas oplosmogelijkheden brengt. Hoe kleiner de bubbelgrootte, des te hoger de zuurstofdruk pO2 waarden in water, wat suggereert dat nano bubbels de pO2-waarden in water in grotere mate verhogen dan die van microbubbels (10-50 micrometer in diameter).
Waarom leven ultrafijne bubbels zo lang?
In laboratoriumomstandigheden zijn er mogelijkheden om bubbels voor 3 tot 6 maanden in stand te houden, in praktische toepassingen is dit korter. De waarschijnlijke reden voor de langdurige aanwezigheid van ultrafijne bubbels is dat de ultrafijne bubbelgas / vloeistof-interface geladen wordt, waarbij een tegenstrijdige kracht wordt aangebracht op de oppervlaktespanning, waardoor de dissipatie ervan wordt vertraagd of voorkomen. In een elektrolytoplossing worden de positieve ionen geconcentreerd rond de gaskern door het negatief geladen oppervlak en fungeren als een schelp/membraan die voorkomen dat het gas verspreidt (het uitzoutfenomeen). Door deze eigenschappen van ionengedrag blijven ultrafijne bubbels langer dan 6 maanden stabiel in elektrolytoplossing.
Frequently Asked Questions!
Wat is het verschil tussen millibellen, microbellen en nanobellen (ultrafijne bellen)?
Millibellen zijn kleiner dan 1 mm maar groter dan 1 μm in diameter. Microbellen variëren van 10 tot 50 μm en krimpen en verdwijnen geleidelijk onder water. Nanobellen - officieel ultrafijne bellen genoemd - zijn kleiner dan 200 nm in diameter en bezitten unieke fysische eigenschappen, waaronder langdurige stabiliteit in water door hun negatief geladen oppervlak.
Wat is het verschil tussen opgeloste zuurstof en nanobellen?
Opgeloste zuurstof bestaat uit ongebonden zuurstofmoleculen verspreid in water, terwijl nanobellen met gas gevulde holtes (bellen) zijn die in water zweven. Deze twee vormen gedragen zich verschillend: opgelost gas heeft een vrije interactie met de vloeistof op moleculair niveau, terwijl nanobellen een aparte gas-vloeistof interface met unieke elektrochemische eigenschappen behouden.
Waarom hebben kleinere bellen een betere reactiviteit dan grotere bellen?
Kleinere belletjes hebben een veel groter totaal oppervlak in verhouding tot hun volume. Wiskundig gezien heeft 1 mL belletjes van 100 nm 1000 keer meer oppervlakte (240 m²) dan 1 mL belletjes van 0,1 mm (0,24 m²). Dit grotere contactoppervlak verbetert de efficiëntie van de gasoverdracht en de chemische reactiesnelheid tussen het gas en de omringende vloeistof aanzienlijk.
Wat zijn de drie onderdelen van een zeepbel?
Een bel bestaat uit een gasfase (het gas in de bel, dat een enkel gas of een mengsel kan zijn), een omhulselmateriaal (het grensvlak tussen gas en vloeistof dat de mechanische eigenschappen van de bel bepaalt) en een water- of vloeistoffase (de omringende vloeistof of oplossing). De eigenschappen van het omhulselmateriaal bepalen de vorming, de stabiliteit en het gedrag van de bel.
Waarom verbetert een langzamere stijgsnelheid van de bellen de efficiëntie van de gasoverdracht?
Hoe langer een bel in contact blijft met de omringende vloeistof, hoe meer tijd het gas heeft om over het oppervlak van de bel op te lossen. Kleine bellen klonteren ook minder samen dan grote bellen - wat betekent dat ze niet samensmelten tot grotere bellen die sneller zouden opstijgen - waardoor de tijd en efficiëntie van de gasoverdracht verder worden gemaximaliseerd.
Welke praktische toepassingen profiteren het meest van de vergroting van het oppervlak van nanobellen?
Het grote oppervlak van nanobellen verbetert de aerobe bacteriële activiteit (gebruik van zuurstof), anaerobe activiteit (gebruik van stikstof) en de efficiëntie van chemische reacties tussen opgeloste gassen en vloeibare ingrediënten. Praktische voorbeelden zijn CO₂-toevoer naar algen in kweeksystemen en O₂-toevoer naar plantenwortels of aerobe bacteriën in bodemsaneringsprojecten.
Kunnen nanobellen vrije radicalen genereren en wat is hiervan de betekenis?
Ja - fijne belletjes met een elektrisch geladen oppervlak kunnen vrije radicalen genereren als de microbelletjes uiteenvallen. Het genereren van vrije radicalen is belangrijk voor geavanceerde oxidatieprocessen (AOP) in waterbehandelings- en desinfectietoepassingen, vooral wanneer ozon of zuurstofnanobellen worden gebruikt om verontreinigingen af te breken.
