Tamaños de Nanoburbujas y Sus Propiedades Físicas
Tamaños de burbujas
Burbujas ultrafinas, Nanoburbujas, oxígeno disuelto, microburbujas, milí burbujas, el mundo de las burbujas puede ser confuso a veces. Las burbujas son cavidades llenas de gas en agua, permanecen suspendidas en agua, el oxígeno disuelto son moléculas de oxígeno no unidas en agua. El oxígeno sin unir se comporta de manera diferente y es importante entender la diferencia entre un gas disuelto y una cavidad de gas.
Milí-burbujas son burbujas más pequeñas que un milímetro en diámetro, pero más grandes que un micrómetro. Las microburbujas son pequeñas burbujas con un diámetro entre 10 y 50 μm que disminuyen de tamaño y finalmente desaparecen bajo el agua. Nano burbujas, oficialmente burbujas ultrafinas son burbujas de gas en miniatura en líquidos con un diámetro menor de 200 nm, y tienen varias propiedades físicas únicas distintas de las mili-burbujas ordinarias. Permanecen estables en agua durante mucho tiempo debido a su superficie cargada negativamente que puede ser calculada por el potencial zeta, fueron como mili-burbujas aumentan de tamaño, suben rápidamente y estallan en la superficie del agua.
Las burbujas más pequeñas tienen mejor reactividad por ampliación de la superficie
En el mismo volumen de agua, el área de contacto entre las burbujas en el agua llena de pequeñas burbujas es mucho mayor que el agua llena de burbujas más grandes. El aumento en el área de contacto mejora la actividad de las bacterias aeróbicas en el líquido mediante el uso de gas oxígeno o actividades anaeróbicas mediante la creación de burbujas de nitrógeno y la eficiencia de las reacciones químicas aumenta entre el gas suministrado y los ingredientes líquidos. En aplicaciones prácticas, el CO₂ es más fácil para las algas y el O2 es más fácil para las raíces de las plantas, o las bacterias aerobias en la remedición del suelo.
En la imagen cuando miramos eso matemáticamente: Cuando se genera, pueden crearse pequeñas burbujas a concentraciones mayores que las burbujas más grandes. El área superficial de un volumen de burbujas está en proporción inversa al diámetro de la burbuja; De este modo, un ml de burbujas de 100 nm de diámetro (2x10,15 burbujas) tiene 1000 veces más superficie (240 m²) que un ml de burbujas de 0,1 mm (2 x 10,6 burbujas, 0,24 m²).
Los 3 componentes de la burbuja
Las burbujas tienen 3 componentes, fase gaseosa, material de la envoltura y fase acuosa o líquida. La fase gaseosa es el gas dentro de la burbuja que es un solo gas o una mezcla gaseosa. El material de la envoltura, agua o un líquido que rodea la fase gaseosa. La formación de burbujas y las propiedades mecánicas de las burbujas dependen de la propiedad del material de la envoltura. El último componente son las fases acuosas que son el líquido o la solución combinada que rodea el material de la envuelta.
Además, las burbujas finas tienen una superficie cargada eléctricamente son capaces de generar radicales libres con el colapso de la microburbuja. Además, algunos investigadores informaron que las microburbujas de aire eran pseudo-elásticas y esféricas en soluciones acuosas. En cuanto a las propiedades dinámicas de los fluidos, las burbujas tienen una baja velocidad de elevación en la fase líquida y baja resistencia friccional reductora.
Las burbujas en agua pura están cargadas negativamente. El potencial zeta medido en agua con burbujas finas de oxígeno fue de -45 mV a -34 mV mientras que el aire fino burbujea un poco más bajo que es de -20 mV a -17 mV. La gran superficie específica y la superficie cargada permiten que las minúsculas burbujas absorban eficazmente moléculas cargadas opuestas y / o partículas pequeñas.
Microburbuja Tensión superficial y presión del gas
La presión del gas dentro de una burbuja pequeña es más alta que en una burbuja grande, por lo tanto, la tensión superficial de una pequeña burbuja es más alta también. Por esta razón el gas de una pequeña burbuja se disuelve más rápidamente que el de una burbuja grande. La pequeña burbuja sube más lenta que las burbujas grandes a la tapa de la superficie del agua, debido a este tiempo adicional el transporte del gas de la burbuja al líquido es más eficiente. Pequeña burbuja coalescencia menos (pega menos juntos) que las burbujas grandes, esto es beneficioso porque cuando las burbujas se hacen más grandes se elevan más rápido a la superficie, dándoles menos tiempo para el transporte de gas.
En la siguiente tabla se dan ejemplos de la presión dentro de la burbuja dependiendo del tamaño de la burbuja, los cálculos se basan en la ecuación de Young-Laplace.
Diámetro de una burbuja frente a la presión dentro de la burbuja en el agua
| Diámetro de una burbuja | Presión dentro de la burbuja en el agua |
|---|---|
| 1 mm | 1.003 atm |
| 100 μm | 1.03 atm |
| 10 μm | 1.29 atm |
| 1 μm | 3.9 atm |
| 500 nm | 5.8 atm |
| 300 nm | 9.7 atm |
| 200 nm | 14.6 atm |
| 100 nm | 29.7 atm |
El diámetro de las burbujas en el agua se refleja en la flotabilidad y la tasa de aumento. La velocidad de aumento depende de las propiedades de la solución, y el número de Reynolds corresponde aproximadamente a 1 hasta 100 μm de diámetro. Además, en el caso de Re <1, la Ley de Stokes se adapta bien porque las burbujas se comportan como bolas debido a las condiciones de flujo en la interfase de las burbujas globulares. Basado en la ley de Stokes en la tabla se dan 3 ejemplos de diferentes tamaños de burbujas y la velocidad creciente de una burbuja en el agua. Dado que las burbujas ultrafinas son tan pequeñas y se mueven a través del líquido al azar, la ley de Stokes no les es aplicable.
Diámetro de una burbuja versus Aumento de la velocidad de la burbuja en el agua (v s)
| Diámetro de una burbuja | Aumento de la velocidad de la burbuja en el agua (v s) |
|---|---|
| 100 μm | 5440 μm / s |
| 10 μm | 54.4 μm / s = 19.6 cm/h |
| 1 μm | 0.544 μm / s = 2.0 mm/h |
La comprensión de las propiedades fisicoquímicas de un compuesto como la solubilidad, estabilidad, definición de forma, propiedades de estado sólido, coeficiente de partición y constantes de ionización es esencial. Entre las características fisicoquímicas de las micro-nanoburbajas, se encuentra la gran área específica y la alta presión de gas dentro de la burbuja, que confieren a estas burbujas una alta capacidad de disolución de gases. Cuanto menor sea el tamaño de la burbuja, mayores serán los valores de pO2 de la presión de oxígeno en el agua, lo que sugiere que las nano-burbujas aumentan los valores de pO2 en el agua en mayor medida que en las microburbujas (10-50 micrómetros de diámetro).
¿Por qué las burbujas ultrafinas viven tanto tiempo?
En las circunstancias del laboratorio hay las posibilidades que las burbujas se pueden guardar para 3 a 6 meses, aplicaciones de la vida real I es mucho más corto. La razón probable para la presencia prolongada de burbuja ultrafina es que la interfaz burbuja ultrafina de gas / líquido se carga, introduciendo una fuerza opuesta a la tensión superficial, retardando o impidiendo su disipación. En una solución electrolítica los iones positivos se concentran alrededor del núcleo del gas debido a su superficie negativamente cargada y actúan como cáscaras que evitan que el gas se disperse (el fenómeno precipitación-salina). Debido a esta característica del comportamiento iónico, las burbujas ultrafinas permanecen estables durante más de 6 meses en solución electrolítica.
Frequently Asked Questions!
¿Cuál es la diferencia entre miliburbujas, microburbujas y nanoburbujas (burbujas ultrafinas)?
Las miliburbujas tienen un diámetro inferior a 1 mm pero superior a 1 μm. Las microburbujas oscilan entre 10 y 50 μm y se encogen gradualmente y desaparecen bajo el agua. Las nanoburbujas -oficialmente llamadas burbujas ultrafinas- tienen un diámetro inferior a 200 nm y poseen propiedades físicas únicas, como la estabilidad a largo plazo en el agua debido a su superficie cargada negativamente.
¿Cuál es la diferencia entre el oxígeno disuelto y las nanoburbujas?
El oxígeno disuelto consiste en moléculas de oxígeno no ligadas dispersas en el agua, mientras que las nanoburbujas son cavidades llenas de gas (burbujas) suspendidas en el agua. Estas dos formas se comportan de forma diferente: el gas disuelto interactúa libremente con el líquido a nivel molecular, mientras que las nanoburbujas mantienen una interfaz gas-líquido distinta con propiedades electroquímicas únicas.
¿Por qué las burbujas más pequeñas tienen mejor reactividad que las burbujas más grandes?
Las burbujas más pequeñas tienen una superficie total mucho mayor en relación con su volumen. Matemáticamente, 1 mL de burbujas de 100 nm tiene 1.000 veces más superficie (240 m²) que 1 mL de burbujas de 0,1 mm (0,24 m²). Esta mayor superficie de contacto aumenta significativamente la eficacia de la transferencia de gas y la velocidad de reacción química entre el gas y el líquido circundante.
¿Cuáles son los tres componentes de una burbuja?
Una burbuja está formada por una fase gaseosa (el gas del interior de la burbuja, que puede ser un solo gas o una mezcla), un material de revestimiento (la interfaz entre el gas y el líquido que determina las propiedades mecánicas de la burbuja) y una fase acuosa o líquida (el líquido o solución circundante). Las propiedades del material de la envoltura determinan la formación, la estabilidad y el comportamiento de las burbujas.
¿Por qué una velocidad de ascenso de la burbuja más lenta mejora la eficacia de la transferencia de gas?
Cuanto más tiempo permanezca una burbuja en contacto con el líquido circundante, más tiempo tendrá el gas para disolverse por la superficie de la burbuja. Las burbujas pequeñas también se fusionan menos que las grandes -lo que significa que no se funden en burbujas más grandes que ascenderían más rápidamente-, maximizando aún más el tiempo y la eficacia de la transferencia de gas.
¿Qué aplicaciones prácticas se benefician más de la ampliación de la superficie de las nanoburbujas?
La elevada superficie de las nanoburbujas mejora la actividad bacteriana aeróbica (que utiliza oxígeno), la actividad anaeróbica (que utiliza nitrógeno) y la eficacia de la reacción química entre los gases disueltos y los ingredientes líquidos. Algunos ejemplos prácticos son el suministro de CO₂ a las algas en los sistemas de cultivo y el suministro de O₂ a las raíces de las plantas o a las bacterias aerobias en los proyectos de recuperación del suelo.
¿Pueden las nanoburbujas generar radicales libres y cuál es su importancia?
Sí, las burbujas finas con una superficie cargada eléctricamente pueden generar radicales libres al colapsar la microburbuja. La generación de radicales libres es importante para los procesos de oxidación avanzada (POA) en aplicaciones de tratamiento y desinfección del agua, sobre todo cuando se utilizan nanoburbujas de ozono u oxígeno para descomponer los contaminantes.
