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            大昌洋行(上海)有限公司(大昌華嘉科學(xué)儀器部)

            微納米氣泡的直觀表征方法

            時(shí)間:2020-12-2 閱讀:3671
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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(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(duì)微米級(jí)的較大氣泡,可以通過動(dòng)態(tài)圖像法進(jìn)行直接的拍攝與檢測。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(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。

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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?cè)趯?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*氣泡發(fā)生壓力值的角度來看,0.3MPa是實(shí)際應(yīng)用效果的壓力值。

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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(píng)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(duì)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(píng)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(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(duì)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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