اندازه های مختلف حباب (نانو) و دلیل اهمیت آن برای خواص

اندازه حباب ها

حباب های بسیار ریز، نانوحباب ها، اکسیژن محلول، حباب های میکرو، حباب های میلی، دنیای حباب ها می تواند گاهی گیج کننده باشد. حباب ها حفره های پر از گاز در آب هستند، آنها در آب معلق می مانند، اکسیژن محلول مولکول های اکسیژن غیر متصل در آب هستند. اکسیژن غیر محدود رفتار متفاوتی دارد و درک تفاوت بین یک گاز محلول و یک حفره گاز مهم است.

تجسم اکسیژن محلول و نانوحباب
مثال حباب میلی، حباب میکرو و حباب نانو

اندازه آنها کاهش می یابد و در نهایت در زیر آب ناپدید می شوند. نانوحباب‌ها یا حباب‌های بسیار ریز، حباب‌های گازی مینیاتوری در مایعاتی با قطر کمتر از 200 نانومتر هستند و دارای چندین ویژگی فیزیکی منحصر به فرد غیر از میلی‌حباب‌های معمولی هستند. آنها برای مدت طولانی در آب پایدار می مانند، زیرا سطح بار منفی آنها که می تواند با پتانسیل زتا محاسبه شود، به عنوان حباب های میلی متری افزایش می یابد، به سرعت بالا می روند و در سطح آب می ترکند.

حباب های کوچکتر با بزرگ شدن سطح واکنش پذیری بهتری دارند

حباب های کوچکتر با بزرگ شدن سطح واکنش پذیری بهتری دارند

در عین حجم آب، سطح تماس بین حباب ها پر از حباب های ریز بسیار بزرگتر از آب پر شده با حباب های بزرگتر است. افزایش سطح تماس باعث افزایش فعالیت باکتری‌های هوازی در مایع با استفاده از گاز اکسیژن یا فعالیت‌های بی‌هوازی با ایجاد حباب‌های نیتروژن می‌شود، همچنین راندمان واکنش‌های شیمیایی بین گاز عرضه‌شده و مواد مایع افزایش می‌یابد. در کاربردهای عملی، CO2 برای جلبک‌ها و O2 برای ریشه‌های گیاه یا باکتری‌های هوازی در اصلاح خاک راحت‌تر در دسترس است.

در تصویر، وقتی از منظر ریاضی به آن نگاه می‌کنیم حباب‌های کوچک می‌توانند در غلظت‌های بالاتر از حباب‌های بزرگتر ایجاد شوند. مساحت سطح یک حجم حباب با قطر حباب نسبت معکوس دارد. بنابراین، یک میلی لیتر حباب با قطر 100 نانومتر (2×10.15حباب) 1000 برابر بیشتر از یک میلی لیتر حباب 0.1 میلی متری (2×10.16 حباب، 0.24 متر مربع) سطح (240 متر مربع) بیشتر است.

3 جزء حباب

حباب ها دارای 3 جزء هستند، فاز گاز، مواد پوسته و فاز آبی یا مایع. فاز گاز ، گاز داخل حباب است که یک گاز منفرد یا مخلوط گازات است. مواد پوسته، آب یا مایعی که فاز گاز را احاطه کرده است. شکل گیری حباب ها و خواص مکانیکی حباب ها به خاصیت مواد پوسته بستگی دارد. آخرین جزء فازهای آبی است که محلول مایع یا ترکیبی اطراف مواد پوسته است.

علاوه بر این، حباب‌های ریز دارای یک سطح باردار الکتریکی هستند که می‌توانند با فروپاشی حباب میکرو، رادیکال‌های آزاد تولید کنند. علاوه بر این، برخی از محققان گزارش کردند که حباب های ریز هوا شبه الاستیک و کروی در محلول های آبی هستند. با توجه به ویژگی‌های دینامیکی سیال، حباب‌ها سرعت بالا رفتن کمی در فاز مایع و مقاومت اصطکاکی کم‌کننده دارند.

حباب ها در آب خالص دارای بار منفی هستند. پتانسیل زتا اندازه گیری شده در آب با حباب های ریز اکسیژن از 45- میلی ولت تا 34- میلی ولت بود در حالی که حباب های ریز هوا کمی پایین تر بود که از 20- میلی ولت تا 17- میلی ولت است. سطح ویژه بزرگ و سطح باردار حباب های کوچک را قادر می سازد تا به طور موثر مولکول های باردار مخالف و / یا ذرات کوچک را جذب کنند.

کشش سطحی میکرو و فشار گاز

تجسم اکسیژن محلول و نانوحباب ها

فشار گاز درون یک حباب کوچک بیشتر از یک حباب بزرگ است، بنابراین کشش سطحی یک حباب کوچک نیز بیشتر است. به همین دلیل، گاز یک حباب کوچک سریعتر از گاز یک حباب بزرگ می تواند حل شود. یک حباب کوچک کندتر از حباب های بزرگ به بالای سطح آب بالا می رود، زیرا به دلیل این زمان اضافی، انتقال گاز از حباب به مایع کارآمدتر است. حباب‌های کوچک کمتر به هم می‌چسبند و نسبت به حباب‌های بزرگ، این مفید است زیرا وقتی حباب‌ها بزرگ‌تر می‌شوند، سریع‌تر به سطح بالا می‌آیند و زمان کمتری برای انتقال گاز به آنها می‌دهد.

در جدول زیر نمونه هایی از فشار داخل حباب بسته به اندازه حباب آورده شده است، محاسبات بر اساس معادله یانگ لاپلاس است.

قطر حباب و فشار حباب در آب

قطر حباب هافشار داخل حباب ها در آب
1 میلی متر1.003 اتمسفر
100 میکرومتر1.03 اتمسفر
10 میکرومتر1.29 اتمسفر
1 میکرومتر3.9 اتمسفر
500 نانومتر5.8 اتمسفر
300 نانومتر9.7 اتمسفر
200 نانومتر14.6 اتمسفر
100 نانومتر29.7 اتمسفر

قطر حباب ها در آب درشناوری و سرعت افزایش منعکس می شود. سرعت افزایش به خواص محلول بستگی دارد و عدد رینولدز تقریباً با 1 در حدود 100 میکرومتر قطر مطابقت دارد. علاوه بر این، در مورد Re <1، قانون استوکس به خوبی سازگار است زیرا حباب ها به دلیل شرایط شار در سطح مشترک حباب های کروی مانند توپ رفتار می کنند. بر اساس قانون استوکس در جدول 3 مثال از اندازه های مختلف حباب و سرعت افزایش یک حباب در آب آورده شده است. از آنجایی که حباب های بسیار ریز بسیار کوچک هستند و به طور تصادفی در مایع حرکت می کنند، قانون استوکس برای آنها قابل اجرا نیست.

قطر حباب در مقابل افزایش سرعت حباب در آب

قطر حبابافزایش سرعت حباب در آب
100 میکرومتر5440 میکرومتر در ثانیه
10 میکرومتر54.4 میکرومتر / ثانیه = 19.6 سانتی متر در ساعت
1 میکرومتر0.544 میکرومتر بر ثانیه = 2.0 میلی متر در ساعت

درک خواص فیزیکوشیمیایی یک ترکیب مانند حلالیت، پایداری، تعریف شکل، خواص حالت جامد، ضریب تقسیم و ثابت یونیزاسیون ضروری است. از جمله ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی میکرو نانوحباب‌ها، ناحیه خاص بزرگ و فشار بالای گاز در داخل حباب است که به قابلیت انحلال گاز بالای این حباب‌ها کمک می‌کند. هرچه اندازه حباب کوچکتر باشد، مقادیر pO2 فشار اکسیژن در آب بالاتر است، که نشان می‌دهد نانوحباب‌ها مقادیر pO2 را در آب به میزان بیشتری نسبت به حباب‌های میکرو (قطر 10 تا 50 میکرومتر) افزایش می‌دهند.

چرا حباب های بسیار ریز عمر طولانی دارند؟

در شرایط آزمایشگاهی این امکان وجود دارد که حباب ها را برای 3 تا 6 ماه نگه دارید، در برنامه های واقعی بسیار کوتاه تر است. دلیل احتمالی حضور طولانی مدت حباب بسیار ریز این است که رابط گاز / مایع حباب بسیار ریز شارژ می شود و نیروی مخالفی را به کشش سطحی وارد می کند و بنابراین از اتلاف آنها جلوگیری کرده و یا این روند را کند می کند. در محلول الکترولیت، یون‌های مثبت به دلیل سطح بار منفی آن در اطراف هسته گاز متمرکز می‌شوند و مانند پوسته‌هایی عمل می‌کنند که از پراکندگی گاز جلوگیری می‌کنند (پدیده نمک زدایی). با توجه به این ویژگی رفتار یونی، حباب های بسیار ریز بیش از 6 ماه در محلول الکترولیت پایدار می مانند.