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摘要

微納米氣泡因其自身體積小,、比表面積大,、自身增壓溶解等特點(diǎn),，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值,。但微納米氣泡受氣泡發(fā)生條件的影響很大,，需要依靠準(zhǔn)確的檢測(cè)方法去優(yōu)化氣泡發(fā)生條件,，檢測(cè)微納米氣泡的性質(zhì),。本文借助動(dòng)態(tài)圖像法和納米顆粒跟蹤分析技術(shù)，分別檢測(cè)了微米氣泡和納米氣泡：通過(guò)動(dòng)態(tài)圖像法,，測(cè)得微米氣泡的粒徑分布,、氣泡數(shù)量、球形度等信息,，用于表征,、鑒別微米氣泡；通過(guò)納米顆粒跟蹤分析技術(shù),，測(cè)得納米氣泡的粒徑分布,、濃度、電位等信息,，用于全面表征納米氣泡的性質(zhì),。

關(guān)鍵詞：微納米氣泡，動(dòng)態(tài)圖像法,，納米顆粒跟蹤分析技術(shù)

氣泡是生活中最常見(jiàn)的現(xiàn)象之一,。生活中經(jīng)常能觀察到氣泡上浮、破裂的現(xiàn)象,，這些氣泡都是我們?nèi)庋勰苡^察到的大氣泡,。而實(shí)際上，水中除了我們?nèi)庋劭梢?jiàn)的這些氣泡之外,，還存在更小尺度的氣泡—微納米氣泡,。微納米氣泡與肉眼可見(jiàn)的大氣泡在粒度、穩(wěn)定性、比表面積等方面存在很大差異,。

微納米氣泡的主要特點(diǎn)包括比表面積大,、表面帶電荷、自身增壓溶解,、上升速度慢,、產(chǎn)生大量自由基等。在化學(xué)反應(yīng)中,，微納米氣泡可用于增加氣體與液體的接觸面積,，促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生。由于微納米氣泡體積小,，在水中上升速度慢,、存在時(shí)間長(zhǎng)，也可以用在無(wú)土栽培及水產(chǎn)養(yǎng)殖中,，用于水體殺菌,、增加水體供氧等。微納米氣泡在破裂時(shí)還能產(chǎn)生大量自由基,，可用于降解常規(guī)條件下難以降解的污染物,，在工業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域也有很高的環(huán)保應(yīng)用價(jià)值。此外,，微納米氣泡在清洗工業(yè)器件的微孔表面,、深層清潔皮膚等方面也有不可替代的應(yīng)用價(jià)值。正是因?yàn)橛腥绱藦V泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,，微納米氣泡目前已成為一個(gè)非常有前景的研究熱點(diǎn),。

在微納米氣泡的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不同的氣泡發(fā)生器,、不同的氣泡發(fā)生條件（壓力,、溫度等）、不同氣體等因素,，都會(huì)直接影響微納米氣泡的粒徑分布,、濃度以及電位穩(wěn)定性，進(jìn)而影響微納米氣泡的質(zhì)量評(píng)估,。而微納米氣泡的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,，也與其粒徑、濃度,、zeta電位等緊密相關(guān),。因此，在微納米氣泡制備及應(yīng)用過(guò)程中,，準(zhǔn)確地檢測(cè)微納米氣泡的粒徑,、濃度和zeta電位,，是十分必要的。

一,、微米氣泡的檢測(cè)

針對(duì)微米級(jí)的較大氣泡,，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)圖像法進(jìn)行最直接的拍攝與檢測(cè)。動(dòng)態(tài)圖像法是利用光源直接照射流經(jīng)檢測(cè)區(qū)的顆粒,，并利用CCD檢測(cè)器獲取所有顆粒的實(shí)時(shí)投影,。它可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)所有流經(jīng)的顆粒的粒徑和數(shù)量，可以通過(guò)顆粒的球形度,、長(zhǎng)寬比等參數(shù)來(lái)區(qū)分微米氣泡與其他類(lèi)型的物質(zhì),，還可以通過(guò)氣泡粒徑與濃度的區(qū)別來(lái)探究不同因素對(duì)微米氣泡的影響，評(píng)估微米氣泡的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,。

圖1.動(dòng)態(tài)圖像法的測(cè)試原理

圖2.動(dòng)態(tài)圖像法檢測(cè)視野下的微米氣泡

我們知道,，氣泡粒徑受氣泡發(fā)生條件的影響很大。但當(dāng)我們改變氣泡發(fā)生壓力時(shí),，會(huì)發(fā)現(xiàn)氣泡的粒徑并非一直隨氣泡發(fā)生壓力的變化而變化,。我們?cè)趯?shí)際測(cè)試中，嘗試不斷增大氣泡發(fā)生壓力,，再通過(guò)動(dòng)態(tài)圖像法實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)氣泡的發(fā)生效果，得到如下的數(shù)據(jù)：

我們發(fā)現(xiàn),，當(dāng)氣泡發(fā)生壓力從0.1MPa增加到0.3MPa時(shí),，氣泡的粒徑（D50%）在不斷減小，氣泡的數(shù)量也在迅速增多,；但當(dāng)氣泡發(fā)生壓力從0.3MPa繼續(xù)增大時(shí),，氣泡的粒徑和數(shù)量一直處于穩(wěn)定水平，不再有明顯的變化,。從測(cè)定zui優(yōu)氣泡發(fā)生壓力值的角度來(lái)看,，0.3MPa是實(shí)際應(yīng)用效果最佳的壓力值。

圖3.微米氣泡的離散度分析及球形度分析

借助動(dòng)態(tài)圖像法,，我們還可以從球形度,、長(zhǎng)寬比等角度，鑒別非氣泡類(lèi)顆粒,，統(tǒng)計(jì)非氣泡顆粒的數(shù)目,，進(jìn)一步評(píng)估微米氣泡測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。

二,、納米氣泡的檢測(cè)

納米氣泡的粒徑很小,，其在水溶液中的布朗運(yùn)動(dòng)速率也很快。所以,，納米氣泡很難直接通過(guò)圖像法進(jìn)行測(cè)試,。此時(shí),，我們借助納米顆粒追蹤分析技術(shù)（Nano-particle Tracking Analysis，NTA）來(lái)檢測(cè)納米氣泡,。納米顆粒追蹤分析技術(shù)可直接檢測(cè)納米氣泡在水中的布朗運(yùn)動(dòng)軌跡與速率,，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)視野內(nèi)的納米氣泡數(shù)量，由此計(jì)算出納米氣泡的粒徑和濃度,；并通過(guò)對(duì)氣泡溶液施加電場(chǎng),，獲取納米氣泡在電場(chǎng)中的電泳運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速率，直接計(jì)算出納米氣泡的zeta電位,，有助于評(píng)估氣泡穩(wěn)定性,。

圖4.納米顆粒追蹤分析技術(shù)檢測(cè)視野下的納米顆粒

為了檢測(cè)不同氣泡發(fā)生條件引起的納米氣泡差異，我們選用某品牌氣泡發(fā)生器,，利用空氣在水介質(zhì)中制備納米氣泡樣品,。該氣泡發(fā)生器有FB1和FB2兩個(gè)擋位，F(xiàn)B2擋位下水流速度更快,。我們分別檢測(cè)了在不同擋位（FB1和FB2）,、不同溫度（25℃和45℃）下所產(chǎn)生的納米氣泡的粒徑、濃度和zeta電位信息,，檢測(cè)結(jié)果如下：

由以上結(jié)果可以看出：

（1）25℃下,，由不同氣泡發(fā)生器擋位得到的納米氣泡樣品，其濃度比較接近,，均在106個(gè)/ml水平,；zeta電位值均為負(fù)值；但FB2擋位下得到的納米氣泡的粒徑更小,，zeta電位絕對(duì)值更低一些,。這可能與FB2擋位下水的高流速、高剪切力有關(guān),。

（2）45℃下,，不同氣泡發(fā)生器擋位得到的納米氣泡，其濃度也比較接近,，均在107個(gè)/ml水平,，比25℃下得到的納米氣泡的濃度高得多；粒徑一致,，均在126nm左右,，比25℃下得到的納米氣泡的粒徑值都要小,；zeta電位均為正值,，且數(shù)值也更接近。

25℃下產(chǎn)生的納米氣泡的zeta電位為負(fù)值,，45℃下產(chǎn)生的納米氣泡的zeta電位為正值,。由此可以看到,，溫度對(duì)此次測(cè)試中納米氣泡的zeta電位影響非常大。

圖5.不同氣泡發(fā)生條件下得到的納米氣泡的粒徑分布

由上圖可以更直觀地看出,，不同條件下得到的納米氣泡樣品在粒徑和濃度上的差別,。

微納米氣泡具有非常廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但氣泡發(fā)生條件對(duì)微納米氣泡的影響很大,。如何優(yōu)化微納米氣泡發(fā)生條件,，如何快速地確認(rèn)微納米氣泡的實(shí)際發(fā)生效果，都依賴(lài)于準(zhǔn)確可靠的微納米氣泡檢測(cè)技術(shù),。我們通過(guò)動(dòng)態(tài)圖像法和納米顆粒跟蹤分析技術(shù),，從不同的角度表征微納米氣泡，實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米氣泡的準(zhǔn)確檢測(cè),，為微納米氣泡相關(guān)的研究工作提供可靠的參考,。