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纳米气泡可能是气泡簇! 精选

已有 2814 次阅读 2021-11-3 11:30 |系统分类:科研笔记

纳米气泡是一种悖论,按照传统的物理学原理,体积越小的气泡,表面张力越大,气泡的压强越高。由于气压和气体溶解度相关,小气泡大压强导致气体越来越快溶解。这意味着纳米尺度的气泡不可能长时间存在于液体。但最近对纳米气泡的研究非常明确表明,纳米气泡可以数日稳定存在于液体。至今科学家对这种纳米气泡寿命悖论没有合理解释。最近德国学者根据研究提出一种设想,认为过去所谓100纳米大小的纳米气泡,实际上是由数百万更小的纳米气泡组成的气泡团簇。这一新发现,也许给纳米气泡的研究提供了一个新方向。

根据这个说法,纳米气泡在自然界中广泛存在的事实。让我们应该慎重考虑一个问题,那就是纳米气泡的生物学作用。


氢思语:认真阅读本文后,我有一个想法。非极性气体分子如氢气氧气氮气在水中溶解度都非常小,这些溶解在水中的气体分子,和周围水分子之间存在相互排斥的作用,当然由于非常接近,也可能存在范德华力。考虑到气体溶解度非常低,例如每10万个水分子才能溶解1-2个这种气体分子,这说明相互吸引的范德华力在这里不占任何优势,而相互排斥的力相对比较强大。这种相互排斥的力就可能在气体分子周围形成一个空穴,形成空穴也就意味着形成纳米气泡。考虑到气体密度,1-2纳米的空间大概就是1-2个气体分子。这种纳米级别的气泡,难到和溶解的气体分子是一个东东,也许不是。如果不是,这种1纳米粒径的气泡可能含有比较多的气体分子。


1前言

过去10年中,包括我们在内的许多作者报告了悬浮在纯水中的一种新型纳米实体的存在和持久性,称为超细气泡或体相纳米气泡(本文简称纳米气泡)纳米气泡可以通过许多不同的物理和化学方法生成。最近,我们使用各种物理和化学技术证明,这些纳米实体确实是气泡,不能归因于任何已知形式的杂质污染。与纳米粒子类似,它们携带显著的表面负电荷,这可能是纳米气泡异常长寿的全部或部分原因。我们还阐明了添加表面活性剂、盐或pH调节对纳米气泡的影响,因此,不同的表面活性剂分子(非离子、阴离子、阳离子)以不同的方式影响纳米气泡。非离子表面活性剂不影响纳米气泡的大小分布、数量密度或表面电荷,但有望提供空间稳定的悬浮液。阴离子表面活性剂不影响纳米气泡的数密度或尺寸分布,但随着表面电荷的增加,阴离子表面活性剂可通过所谓的电-空间稳定机制提高纳米气泡的稳定性。另一方面,阳离子表面活性剂会逐渐使表面电位发生变化,导致纳米气泡界面电荷发生逆转,从而对纳米气泡的数密度和尺寸分布产生复杂的影响。在较低的表面活性剂浓度下,这可能会破坏悬浮液的稳定性,但在较高的浓度下,当表面电荷再次增加,超过电荷反转点时,稳定性会恢复。假设带负电荷的纳米气泡界面产生一个外部负静电压力来平衡内部拉普拉斯压力,因此,在平衡时,没有净气体扩散聚变发生。添加少量的任何价盐会导致气泡数密度的急剧减少和平均气泡大小的急剧增加。这种效应在高盐价存在时更倾向于,它归因于由共离子形成的电双层层的筛选,这降低了外部负静电压力,导致纳米气泡界面上的压力不平衡,然后膨胀。我们还认为,在纯水中,OH -离子的吸附导致在带负电荷的纳米气泡周围形成电双层,类似于在固体纳米粒子周围观察到的电双层。在酸性介质中,纳米气泡的不稳定归因于外部静电压力和内部拉普拉斯压力之间的平衡被破坏,这是由低pH值下较低的表面电位引起的。因此,纳米气泡在酸性介质中趋于不稳定和消失,而在碱性介质中稳定性增强。同样地,我们发现,当纳米气泡悬浮在水中经过先冻结后解冻的过程时,纳米气泡会消失。上述发现最终形成了一个假设,即观察到的纳米实体不是单个纳米气泡,而是小得多的原生纳米气泡的集群。因此,我们在此建议重温我们之前的一些工作,以验证这一假设。因此,我们使用一组实验程序来表明,在纯水中观察到的典型的100 nm量级的纳米实体是一团1 nm量级的微小纳米气泡,通过演示:(i)当水的pH变为酸性时,观察到的纳米实体分解成微小的初级纳米气泡,当pH值被中和或变为碱性时重新聚集;(ii)添加盐产生了相同的纳米气泡团分散效应;(iii) 冻融纳米气泡悬浮液也会导致水中的所有纳米实体分解成微小纳米气泡,在剧烈摇晃或在不受干扰情况下缓慢而逐渐地储存几天后,这些纳米气泡重新凝聚; (iv)磷酸锌包裹纳米气泡会产生空心纳米颗粒的尺寸范围与观察到的初级纳米气泡和纳米气泡簇一致。此外,我们还证明DLVO理论纳米气泡的胶态稳定性提供合理的解释

2. 实验

2.1. 材料

所有实验使用的水都是由Millipore净化系统生产的超纯(type-1)水,电导率为0.055 lS温度20pH6.8。采用适当的pH4pH7pH10标准缓冲溶液,调节超纯水(以下简称纯水)纳米气泡悬浮液的pH值。pH值为7的缓冲溶液(磷酸二氢钾/氢氧化钠)pH值为10的缓冲溶液(硼砂/氢氧化钠)Fluka分析公司(英国)采购,而pH值为4的缓冲溶液(邻苯二甲酸盐)则从Acros有机物公司(英国)采购。氯化钠 (NaCl, 99.5%)购自Sigma Aldrich。实验中只使用可用纯度最高的试剂。玻璃器皿的清洗是通过浸泡在超声波浴内10%氢氧化钾水溶液(KOH, Sigma Aldrich, UK)30分钟,然后用超纯水漂洗,微波炉中干燥,用高纯干燥氮气流冲洗(BOC, UK)实现的。在进行任何纳米尺度实体存在的实验之前,使用NanosightZetasizer仪器对纳米气泡悬浮液进行表征,对纯化水和所有缓冲溶液进行了初步检查,但未检测到显著水平的杂质。

2.2. 纳米气泡悬浮液的生成方法

 

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空针法纳米气泡制备。

根据亨利定律的真空脱气原理,采用膨胀-压缩法在纯水中生产纳米气泡悬浮液,如图1所示。首先,一个适当大小的注射器装满纯净水,在排出里面的空气后,注射器尖端使用鲁尔锁盖密封然后通过快速拔出注射器柱塞来减压,在真空压力作用下以相对较高速度移动柱塞瞬间释放来这两个步骤代表了纳米气泡生成过程的一个完整周期。应该注意的是,注射器内部需要产生足够的真空,以便释放足够的溶解气体,以及在压缩阶段有足够的压差,以使纳米气泡的形成。换句话说,在膨胀冲程期间,注射器内的压力需要尽可能低。产生的纳米气泡浓度取决于所应用的膨胀-压缩循环次数。需要许多连续的循环才能产生足够数量的纳米气泡。详细的技术和操作可以在我们最近的论文[2]中找到。注:可否采用数值控制机械装置进行纳米气泡的重复性操作。

2.3. 纳米气泡悬浮液的表征

为了表征纳米气泡悬浮液,我们结合了两种流行技术,即纳米颗粒跟踪分析和动态激光散射,以一种互补的方式使我们能够覆盖本研究中遇到的非常广泛的纳米气泡尺寸。

2.3.1.纳米粒子跟踪分析

采用纳米颗粒跟踪分析(NTA)技术(NanoSight NS300, Malvern-UK)测量纳米气泡的粒径分布和数量密度。NTA利用光散射和布朗运动的性质来确定纳米粒子在液体悬浮中的粒径分布。纳米粒子的布朗运动跟踪使NTA非常适合于实时分析10-2000纳米粒径每毫升含0.1-10亿个粒子的多分散悬浮体。我们已经广泛地使用了这种技术,并在我们之前的工作中更详细地讨论了它的特点和优点。2.3.2动态光散射

动态光散射(DLS)是另一种适用于测量粒径范围0.3nm-10微米,毫升颗粒数量在1-10000108-12次方)亿的技术。

本文用来测定纳米气泡悬浮液气泡大小分布的DLS仪器是ZEN5600 Zetasizer Nano ZSP (Malvern Instruments)DLS的工作原理是,悬浮粒子或分子的布朗运动导致激光以不同强度散射。利用爱因斯坦-斯托克斯关系对这些强度波动的分析可以得到布朗运动的速度,从而得到粒子的大小。然而,与NTA不同,DLS不测量气泡数量密度。DLS可以处理更大范围的纳米气泡尺寸和浓度,但它往往高估了迄今为止报道的纳米气泡范围(~ 100 nm)的粒径这个范围NTA是首选我们之前的工作进行过讨论。因此,DLS仪器主要用于估算NTA无法探测到的光谱下端气泡的大小,并确定纳米气泡ζ电位,这是评价其稳定性的一个重要参数。在分析纳米气泡样品之前,使用标准的单粒固体乳胶纳米球悬浮液,以验证NTADLS系统的准确性和精确度,并相应地微调仪器的设置。

2.4 纳米气泡聚团证据

我们的假设是纯净水中产生的纳米气泡以簇状存在,换句话说,观察到的纳米实体是更小的初级纳米气泡的纳米级聚集物。我们在此采用物理和化学实验的结合程序来验证这个假设,如下所示。

2.4.1 用缓冲液控制纳米气泡悬浮液的pH

实验研究的pH值变化的影响纯净水生产的纳米气泡大小、数量密度和zeta

电势。先用缓冲溶液将水pH调整到酸性,然后用碱性缓冲溶液调整回中性。

,中性至酸性,然后回到中立的标准的酸性和碱性缓冲溶液,气泡大小分布,意味着泡沫直径、气泡数密度和电动电势。

因此,将初始pH6.8的纯水中生成的20ml 纳米气泡悬浮液样品置于干净的玻璃瓶中,在温和搅拌下滴加酸性缓冲液将其pH变为酸性(pH 4)。样品被密封,并在磁力搅拌器上进一步搅拌24小时,然后使用NTADLS进行分析。随后,通过滴入加碱性缓冲液将样品的pH变回中性pH(~7.0)在磁力搅拌器上进一步搅拌24小时,然后使用NTADLS进行分析。此外,采用同样的方法,通过滴加碱性缓冲液和分析纳米气泡样品,pH从中性增加到碱性(pH 10)需要注意的是,在用纳米气泡悬浮液进行上述pH值控制实验之前,同样的实验仅用纯水进行,以确定酸性和碱性缓冲液的使用没有引入任何纳米级杂质。

2.4.2 添加盐

0.01 mM - 100 mM范围内添加不同浓度的一价盐(NaCl),检测对纯水纳米气泡的影响,进一步验证纳米气泡假设。

2.4.3 冻融

纯水中生产纳米气泡悬浮液在零下18的温度下冷冻然后在室温下解冻,实验目的是为了观察冻融对初始平均气泡直径和气泡数密度的影响。20ml纳米气泡悬浮液样品在零下18 冰箱中保存24小时。随后,取出冷冻样品,在室温下解冻约6小时,然后由NTADLS进行详细分析。进行两种类型的纳米气泡检测:(i)解冻后,每天保存并分析一个样品,为期6;(ii)类似地,解冻后,对样品进行手动剧烈摇晃并监测6天。

2.4.4 纳米气泡的封装和透射电子显微镜分析 

在本部分的研究中,利用在纯水中形成的纳米气泡作为软模板来合成中空的磷酸锌纳米颗粒。在典型的包封过程中,从纳米气泡悬浮液中取两个等量的溶液,分别含有33.4 mM的六硝酸锌速率(Zn (NO3)26H2O)20 mM的磷酸二铵((NH4)2HPO4)。然后将这两种溶液缓慢混合,用氨水并将混合物的pH调至8.5,导致白色磷酸锌颗粒的析出。

离心沉淀水和乙醇多次冲洗,然后在40烤箱干12 h。使用标准的TEM操作程序透射电子显微镜(TEM)(2100JEOL TEM、日本)的加速电压200 kV合成粒子的形态进行观察。

 

结果与讨论

3.1. 缓冲液pH控制对纳米气泡悬浮液的影响

2显示了最初在pH6.8的纯水中,使用酸性缓冲液将pH调至4,随后使用碱性缓冲液将pH调回6.8后,纳米气泡的粒径分布、气泡数密度、平均气泡直径和ζ电位。pH值为4时,气泡粒径分布曲线col失效(2a),气泡数密度急剧降至零附近(2b),达到NTA的分辨率极限,此时无法可靠测量气泡粒径分布和估算气泡平均粒径(2c)。随着pH6.8降低到4(2d), 纳米气泡zeta电位绝对值从大约42 mV下降到8 mV(2d),这与溶液酸度增加的预期一致。这些结果与我们之前的发现完全一致,纳米气泡似乎在酸性pH下消失,但在中性和碱性pH下保持稳定和可见[2-4]。在此,我们用碱性缓冲液将同一悬浮液的pH调回到原来的中性值~ 7.0,并用NTADLS纳米气泡进行分析。图2的结果显示,纳米气泡恢复了(在很小的实验误差内)在纯水中测量到的原始尺寸分布、数量密度、平均气泡尺寸和ζ电位。当纯纳米气泡悬浮液的pH中性增加到pH 10时,纳米气泡粒径分布和气泡数密度没有明显变化,如图2所示。由于溶液碱度的增加,电位的绝对值略有增加。这些结果似乎表明,纳米气泡确实可以在酸性环境中生存,但它们的大小被缩小到NTA的分辨率限制以下,而NTA无法检测到它们。为了证实这一假设,我们使用DLS技术分析了纳米气泡悬浮液,因为它可以检测0.3 nm以下的颗粒[17,18]。图3为用酸性缓冲液将纯水中产生的纳米气泡pH调至4后,用DLS测量的气泡大小分布和平均气泡大小。结果表明,pH4时,纳米气泡确实存在,但体积很小,平均直径约为~ 1 nm6个月后的规模分布来看,这种泡沫也具有长期的稳定性。因此,可以得出结论:在酸性介质中,纳米气泡以微小稳定的初级纳米气泡的形式存在,但在中性或碱性介质中,初级纳米气泡聚集形成更大的团簇,平均直径约为100 nm这种行为类似于纳米粒子的行为。纳米气泡具有高的表面积与体积比,因此具有高的表面能。因此,不奇怪的是,为了最小化它们的表面能,纳米气泡,像纳米粒子一样,倾向于聚集[20]。然而,由于现有仪器有限的分辨率,不可能确定初级纳米气泡是单个气泡还是微尺度上更小的气泡团。为了证明纳米气泡簇的逐渐解离,在纯水中产生的纳米气泡悬浮液的pH4-10范围内调整到不同水平,然后用NTADLS分析。图4所示的结果表明,当pH逐渐降低到中性以下时,气泡数密度下降,而在中性以上时保持不变(4(a))。同时,随着纳米气泡团簇分解为更小的气泡,气泡的尺寸分布向光谱的低端移动(4(b))气泡的平均直径从中性pH时的~ 100 nm减小到pH 4时的~ 2 nm(4(c))。综上所述,NTA分析表明,随着pH的降低,纳米气泡簇的稳定性降低,纳米气泡簇的数量密度降低。然而,通过DLS分析,我们已经证明了大块纳米气泡以团簇形式存在。NTA观察到,纳米气泡似乎因为稳定性降低而消失,事实上,分解成更小的初级纳米气泡,其尺寸小得多,NTA无法检测到,因为它们的尺寸低于仪器的分辨率限制。因此,当纳米气泡簇的数量在酸性环境中减少时,初级纳米气泡会出现,DLS检测到。

 

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2 PH对纳米气泡的影响

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3 PH4条件下原始纳米气泡长寿命分析。

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4不同pH条件下纳米气泡大小和数量分析

32 加盐的影响

在纯水中生成的纳米气泡悬浮液中添加一价盐(NaCl)的效果如图5所示。随着盐浓度的增加,气泡的大小分布急剧向左移动。在浓度为10 mM时,纳米气泡的尺寸已经达到最小尺寸(~1 nm)更高浓度没有进一步观察到效应提高这些结果进一步证实了一个假说,即纳米气泡在纯水中以团簇形式存在,并在盐存在时开始分解成较小的气泡。

 

33. 冻融对纳米气泡悬浮液的影响

我们之前报道过,当纯净水中产生的纳米气泡经过冻结后再解冻,它们似乎消失了,我们讨论了它们消失的可能原因[1,3,4]。我们还指出,很难判断纳米气泡的消失是在冻结或解冻过程中发生的。考虑到使用的冷冻速率很低,我们假设纳米气泡可能会通过生长晶体压在一起,类似于冷冻浓缩过程,这样它们可能会合并或凝聚,最终导致纳米气泡破裂。然而,在实验[3]的融化阶段,很难推测纳米气泡消失的可能驱动机制。上述结果是基于对纳米气泡悬浮液进行NTA分析后得出的。为了提供纳米气泡聚类的进一步证据,我们回顾了上述工作,并更详细地研究了冻融循环对纯水中产生的纳米气泡悬浮液的影响。然而,在这种情况下,我们在解冻后很长一段时间内监测纳米气泡悬浮液。结果汇总在图6中。纳米气泡悬浮液经过冻融循环后,NTA测量的气泡数密度减小到极低的水平。这似乎表明,观察到的纳米气泡要么完全消失,要么分解成小于NTA仪器检测极限小气泡。为了验证这些假设,我们首先分析了一个刚解冻的样品,经过强烈的摇动。如图6所示,震动似乎迅速触发了改造过程,导致很大比例的纳米气泡簇的重新出现。过程将持续到6天后直到冻结前的气泡数和气泡平均直径恢复到初始值结束。然而,在未受干扰的样本中,纳米气泡只有在大约4天后才可见,大约6天后才完全可见。这些结果表明,最初以团簇形式存在的纳米气泡在冻融过程中被分解成更小的初级气泡,这些气泡在冻融过程中幸存下来,因为体积太小而无法被NTA检测到。使用DLS对解冻样品进行分析,证实了这一解释,如图7所示,在冻融后,气泡的平均尺寸从最初的~ 100 nm减小到~ 2.9 nm。结果证实了上述ph控制和加盐实验的结果,即在纯水中纳米气泡确实以簇状存在。

3.4  纳米气泡包封和电子显微镜分析

析出的白色磷酸锌纳米颗粒的TEM样品图像如图8所示。每一个磷酸锌颗粒都是一个明显的亮区(空气域),被包围在一个黑暗的边界区域(固体外壳)内。因此,TEM分析表明,锌磷酸盐纳米颗粒是中空的,并以团簇形式存在。原生锌磷酸酯纳米颗粒的粒径为3 ~ 150 nm,在NTADLS测定的纳米气泡粒径范围内。小颗粒与磷酸锌包覆的原生纳米气泡相一致,而大颗粒与磷酸锌包覆的纳米气泡团簇相一致。这是可以预料到的,因为合成过程将酸性(33.4 mM硝酸锌)纳米气泡溶液与碱性(20 mM磷酸二铵)纳米气泡溶液结合。酸性纳米气泡溶液中含有丰富的微小主纳米气泡,而碱性溶液中则含有大量纳米气泡簇。

3.5 DLVO理论

我们先前证明了空气-水型纳米气泡的胶体稳定性可以用DLVO理论来解释,正如我们最近的工作[4]所描述的。我们使用DLVO理论来解释纳米气泡团簇形成小的初级纳米气泡的现象。利用本研究得到的结果,将总相互作用势(wT(D))微观动能标准化分子 (kBT),绘制成无因次空间距离(jD)的函数,以说明pH(9)NaCl(10)的影响。然而,为了便于讨论,图11描述了相互作用势的一般趋势。像纳米粒子一样,纳米气泡具有高的表面积体积,因此具有高的表面能。因此,为了最小化表面能,当它们靠近时倾向于聚集。范德华引力促进了这种团聚或聚团过程。DLVO理论推测,当纳米气泡之间的间距在双层层内时,范德华引力的作用被静电斥力抵消。因此,纳米气泡的胶体稳定性将由这些力的总和作为纳米气泡间距的函数决定(11)DLVO假设存在两个能量(基础和次级),其中纳米气泡是稳定的,由一个由吸引力和斥力组合能量势垒隔开。随着纳米气泡间距的减小,如果纳米气泡能够越过的能量势垒,它们将移动到从初级纳米气泡聚集成大的纳米气泡的较低能态。吸引力和排斥力都受到诸如离子和溶液介电强度等参数的影响,这些参数可以被操纵来控制能量势垒。因此,纯水中的纳米气泡预计在初级极小值时以稳定的簇状形式存在。例如,调整pH值或添加盐,会导致纳米气泡簇解离并移动到次级最小值,形成微小的稳定气泡。这些现象在图9和图10所示的DLVO图中得到了证实。例如,在pH 5以上,能垒是正的,并随着pH的增加而增加(9),这表明在中性pH下,能垒向稳定的纳米气泡胶团体系移动。增加盐浓度,产生与降低pH相似的效果(10)。综上所述,DLVO理论似乎为纳米气泡悬浮液的胶体稳定性提供了合理的解释,并支持了纳米气泡存在于纯水中并在外界能量输入下解离成更小的纳米气泡的假设。

4.结论

我们使用物理和化学的结合技术发现纳米气泡在纯水中存在一个稳定的集群形式证明: (i)在酸性介质中,观察到纳米实体分解成小的1纳米粒径的纳米气泡,再中性和碱性条件下倾向于恢复稳定的集群形成(ii)添加盐产生相同的纳米气泡簇解离效应(3)同样冰冻解冻导致所有观察纳米气泡水分解成小气泡解冻后又恢复初始稳定大小这过程缓慢需要跨越好几天时间(iv)将观察到的纳米实体与磷酸锌包埋产生的空心纳米颗粒的尺寸范围与微小的初级纳米气泡和大的纳米气泡簇一致。然而,要在微尺度上确定主要的纳米气泡是单个气泡还是更小的气泡团是不可能的。DLVO理论似乎为纳米气泡悬浮液的胶体稳定性提供了一个合理解释,并支持了纳米气泡存在于纯水中并在外界能量输入下解离成更小的纳米气泡的假设

 


1] Jadhav A J ,  Barigou M . On the clustering of bulk nanobubbles and their colloidal stability[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 601.




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