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微納米氣泡的直觀表征方法

微納米氣泡的直觀表征方法
麥奇克/Microtrac  2020-11-03  |  閱讀:4766

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)確的檢測方法去優(yōu)化氣泡發(fā)生條件,,檢測微納米氣泡的性質(zhì)。本文借助動(dòng)態(tài)圖像法和納米顆粒跟蹤分析技術(shù),,分別檢測了微米氣泡和納米氣泡:通過動(dòng)態(tài)圖像法,,測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,;通過納米顆粒跟蹤分析技術(shù),,測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)庋劭梢姷倪@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,,也可以用在無土栽培及水產(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)用過程中,準(zhǔn)確地檢測微納米氣泡的粒徑,、濃度和zeta電位,,是十分必要的。


一,、微米氣泡的檢測

針對微米級(jí)的較大氣泡,,可以通過動(dòng)態(tài)圖像法進(jìn)行最直接的拍攝與檢測。動(dòng)態(tài)圖像法是利用光源直接照射流經(jīng)檢測區(qū)的顆粒,,并利用CCD檢測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,可以通過顆粒的球形度,、長寬比等參數(shù)來區(qū)分微米氣泡與其他類型的物質(zhì),,還可以通過氣泡粒徑與濃度的區(qū)別來探究不同因素對微米氣泡的影響,,評估微米氣泡的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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圖1.動(dòng)態(tài)圖像法的測試原理

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圖2.動(dòng)態(tài)圖像法檢測視野下的微米氣泡

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,。我們在實(shí)際測試中,,嘗試不斷增大氣泡發(fā)生壓力,再通過動(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):

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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,。從測定zui優(yōu)氣泡發(fā)生壓力值的角度來看,0.3MPa是實(shí)際應(yīng)用效果最佳的壓力值,。

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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、長寬比等角度,,鑒別非氣泡類顆粒,,統(tǒng)計(jì)非氣泡顆粒的數(shù)目,進(jìn)一步評估微米氣泡測試數(shù)據(jù)的可靠性,。


二,、納米氣泡的檢測

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圖像法進(jìn)行測試。此時(shí),,我們借助納米顆粒追蹤分析技術(shù)(Nano-particle Tracking Analysis,,NTA)來檢測納米氣泡。納米顆粒追蹤分析技術(shù)可直接檢測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;并通過對氣泡溶液施加電場,,獲取納米氣泡在電場中的電泳運(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,有助于評估氣泡穩(wěn)定性,。

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圖4.納米顆粒追蹤分析技術(shù)檢測視野下的納米顆粒

為了檢測不同氣泡發(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,,檢測結(jié)果如下:

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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?。粃eta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,,溫度對此次測試中納米氣泡的zeta電位影響非常大。

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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,都依賴于準(zhǔn)確可靠的微納米氣泡檢測技術(shù),。我們通過動(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)對微納米氣泡的準(zhǔn)確檢測,為微納米氣泡相關(guān)的研究工作提供可靠的參考,。

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