Unterschiedliche (Nano-)Blasengrößen und warum es auf die Eigenschaften ankommt

Blasengrößen

Ultrafeine Blasen, Nanoblasen, gelöster Sauerstoff, Mikroblasen, Milliblasen - die Welt der Blasen kann manchmal verwirrend sein. Blasen sind gasgefüllte Hohlräume im Wasser, die in der Schwebe bleiben, gelöster Sauerstoff sind ungebundene Sauerstoffmoleküle im Wasser. Ungebundener Sauerstoff verhält sich anders, und es ist wichtig, den Unterschied zwischen einem gelösten Gas und einem Gashohlraum zu verstehen.

Milli-Bubbles sind Blasen, die kleiner als ein Millimeter im Durchmesser, aber größer als ein Mikrometer sind. Mikroblasen sind kleine Blasen mit einem Durchmesser zwischen 10 und 50 μm, die immer kleiner werden und schließlich unter Wasser verschwinden. Nanoblasen oder offiziell ultrafeine Blasen sind Miniatur-Gasblasen in Flüssigkeiten mit einem Durchmesser von weniger als 200 nm und haben mehrere einzigartige physikalische Eigenschaften, die sich von gewöhnlichen Milliblasen unterscheiden. Sie bleiben aufgrund ihrer negativ geladenen Oberfläche, die durch das Zetapotenzial berechnet werden kann, lange Zeit im Wasser stabil, während Milliblasen an Größe zunehmen, schnell aufsteigen und an der Wasseroberfläche platzen.

Kleinere Blasen haben eine bessere Reaktivität durch Oberflächenvergrößerung

Im gleichen Wasservolumen ist die Kontaktfläche zwischen den Blasen in Wasser mit kleinen Blasen viel größer als in Wasser mit großen Blasen. Durch die Vergrößerung der Kontaktfläche werden die aeroben Bakterienaktivitäten in der Flüssigkeit durch die Verwendung von Sauerstoffgas oder die anaeroben Aktivitäten durch die Bildung von Stickstoffblasen gefördert; außerdem wird die Effizienz der chemischen Reaktionen zwischen dem zugeführten Gas und den flüssigen Bestandteilen erhöht. In der praktischen Anwendung ist CO2 für Algen leichter verfügbar, während O2 für Pflanzenwurzeln oder aerobe Bakterien bei der Bodensanierung leichter verfügbar ist.

Mathematisch betrachtet können kleine Blasen in höheren Konzentrationen erzeugt werden als größere Blasen. Die Oberfläche eines Volumens von Blasen steht im umgekehrten Verhältnis zum Blasendurchmesser; so hat ein ml Blasen mit einem Durchmesser von 100 nm (2x10,15 Blasen) eine 1000-mal größere Oberfläche (240 m2) als ein ml Blasen von 0,1 mm (2x10,6 Blasen, 0,24 m2).

Die drei Komponenten der Blasen

Blasen bestehen aus drei Komponenten: einer Gasphase, einem Hüllenmaterial und einer wässrigen oder flüssigen Phase. Die Gasphase bezieht sich auf das Gas im Inneren der Blase, bei dem es sich um ein einzelnes Gas oder ein Gasgemisch handeln kann, das von dem Hüllenmaterial, Wasser oder einer Flüssigkeit umgeben ist. Die Blasenbildung und die mechanischen Eigenschaften der Blasen hängen von den Eigenschaften des Schalenmaterials ab. Die letzte Komponente ist die wässrige Phase, also die Flüssigkeit oder kombinierte Lösung, die das Schalenmaterial umgibt.

Außerdem können feine Blasen mit einer elektrisch geladenen Oberfläche beim Zusammenfallen der Mikrobläschen freie Radikale erzeugen. Außerdem haben einige Forscher berichtet, dass Luftmikroblasen in wässrigen Lösungen pseudoelastisch und kugelförmig sind. Was die flüssigkeitsdynamischen Eigenschaften angeht, haben die Blasen eine niedrige Aufstiegsgeschwindigkeit in der flüssigen Phase und einen geringen reduzierenden Reibungswiderstand.

Blasen in reinem Wasser sind negativ geladen. Das Zetapotenzial, das in Wasser mit Sauerstoff-Feinblasen gemessen wurde, lag zwischen -45 mV und -34 mV, während es bei Luft-Feinblasen etwas niedriger war und zwischen -20 mV und -17 mV lag. Die große spezifische Oberfläche und die geladene Oberfläche ermöglichen es den kleinen Bläschen, entgegengesetzt geladene Moleküle und/oder kleine Partikel effektiv zu absorbieren.

Mikrobläschen Oberflächenspannung und Gasdruck

Der Gasdruck in einer kleinen Blase ist höher als in einer großen Blase; daher ist auch die Oberflächenspannung einer kleinen Blase höher. Aus diesem Grund löst sich das Gas in einer kleinen Blase schneller auf als in einer großen Blase. Eine kleine Blase steigt langsamer als eine große Blase zur Wasseroberfläche auf. Durch diese zusätzliche Zeit ist der Gastransport von der Blase zur Flüssigkeit effizienter. Kleine Blasen koaleszieren weniger (kleben weniger zusammen) als große Blasen. Das ist von Vorteil, denn wenn die Blasen größer werden, steigen sie schneller an die Oberfläche und haben weniger Zeit für den Gastransport.

Die folgende Tabelle zeigt Beispiele für den Druck im Inneren der Blase, der mit der Blasengröße variiert; die Berechnungen basieren auf der Young-Laplace-Gleichung.

Durchmesser einer Blase im Vergleich zum Druck innerhalb der Blase in Wasser

Der Durchmesser der Blasen im Wasser spiegelt sich im Auftrieb und der Steiggeschwindigkeit wider. Die Steiggeschwindigkeit hängt von den Eigenschaften der Lösung ab, und die Reynoldszahl entspricht bei einem Durchmesser von etwa 100 μm ungefähr 1. Außerdem passt das Stokes-Gesetz im Fall von Re < 1 gut, weil sich die Blasen aufgrund der Strömungsverhältnisse an der Grenzfläche der Kugelblasen wie Kugeln verhalten. Basierend auf dem Stokes'schen Gesetz sind in der Tabelle 3 Beispiele für verschiedene Blasengrößen und die Aufstiegsgeschwindigkeit einer Blase in Wasser angegeben. Da ultrafeine Blasen so klein sind und sich zufällig durch die Flüssigkeit bewegen, ist das Stokes-Gesetz auf sie nicht anwendbar.

Durchmesser einer Blase im Vergleich zur Aufstiegsgeschwindigkeit der Blase im Wasser (v s)

Das Verständnis der physikochemischen Eigenschaften einer Verbindung wie Löslichkeit, Stabilität, Formdefinition, Festkörpereigenschaften, Verteilungskoeffizient und Ionisationskonstanten ist von entscheidender Bedeutung. Zu den physikochemischen Eigenschaften von Mikro-Nanoblasen gehören die große spezifische Fläche und der hohe Gasdruck im Inneren der Blase, die diesen Blasen eine hohe Gaslösungskapazität verleihen. Je kleiner die Blasengröße ist, desto höher ist der Sauerstoffdruck pO2 im Wasser. Das deutet darauf hin, dass Nanoblasen den pO2-Wert im Wasser stärker erhöhen als Mikroblasen (10-50 Mikrometer Durchmesser).

Warum leben die ultrafeinen Blasen so lange?

Unter Laborbedingungen ist es möglich, dass die Blasen 3 bis 6 Monate lang erhalten bleiben, in der Praxis sind sie viel kürzer. Der wahrscheinliche Grund für die lange Lebensdauer der ultrafeinen Blasen ist, dass die Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit aufgeladen ist, was der Oberflächenspannung eine entgegengesetzte Kraft entgegensetzt und so ihre Auflösung verlangsamt oder verhindert. In einer Elektrolytlösung konzentrieren sich die positiven Ionen aufgrund der negativ geladenen Oberfläche um den Gaskern und wirken wie Schalen, die verhindern, dass sich das Gas auflöst (das Salting-out-Phänomen). Aufgrund dieser Eigenschaft des Ionenverhaltens bleiben ultrafeine Blasen mehr als 6 Monate lang in einer Elektrolytlösung stabil.