NANOBOLHAS

Evidência para nanobolhas

Nanobubbles(nanobolhas) [ 1632] São gáses contendo cavidades em solução aquosa fsolução (tais cavidades são freqüentemente chamados de bolhas). eEles estão sob pressão em excesso como a tensão superficial faz com que uma tendência a minimizar a sua área de superfície e, portanto, volume. umNanobolhas aumentar ou diminuir, por difusão, consoante a solução ao redor é over-saturated ou sub-saturada com o gás dissolvido em relação à pressão cavidade levantadas.

Como a solubilidade do gás é proporcional à pressão de gás e esta pressão é exercida pela tensão superficial em proporção inversa ao diâmetro das bolhas, há uma crescente tendência de gases para dissolver as bolhas como diminuir de tamanho, aumenta muito a pequena bolha diâmetros uma e assim acelerar o processo. Tal dissolução é aumentada pelo movimento da bolha e contração durante este processo, que auxilia a remoção de qualquer solução saturada de gás em torno das cavidades. Cálculos mostram que nanobubbles só deve persistir por alguns microssegundos [ 1268].

 No entanto, a facilidade com que a água forma bolhas de maior visibilidade, sob pressão de tração ligeira bem abaixo da resistência à tração de água, ea maior dificuldade que ocorre nesta na desgaseificação, ambos indicam a ocorrência de gás contendo nanobubbles (cavidades). De fato, uma alta densidade de nanobubbles foi recentemente criado em solução ea mistura heterogênea dura mais de duas semanas [ 1618]. 

A quantidade total de gases nestas soluções nanobubble atingiu 600 centímetros 3 (em 1,9 x 10 16 nanobubbles 50 nm de raio, volume convertido em condições normais de temperatura e pressão ) por 1 dm 3 de água, ea densidade do líquido foi de cerca de 0,988 g.cm -3 [ 1618 ]. Maiores bolhas micron-plus tamanho também pode durar um longo tempo, mas tem flutuabilidade suficiente para subir através da solução e do gás de liberação contida na superfície antes que o gás se dissolve.

Em contraste com a visão teórica, agora há muitas evidências de que as cavidades sub-micro-empresas de gás-cheia (muitas vezes chamado de nanobubbles) também podem existir por períodos de tempo significativos, tanto em solução aquosa [ 97411721269143315321618 ] e em superfícies hidrofóbicas submersa [ 5061270]. dNanobubbles fase de massa pode ser detectada por espalhamento de luz enquanto nanobubbles superfície pode ser detectado por uma série de técnicas, proeminente entre os quais se tocando modo de microscopia de força atômica [ 803]. 

Nanobubbles são comumente encontrados em superfícies sólidas hidrofóbicas em soluções abertas para o ar, onde eles parecem ser bastante estável [ 1272]. Nanobubbles granel são susceptíveis de serem repelidos uns dos outros, e de carga negativa superfícies hidrofílicas, à distância, mas pode anexar tais superfícies de água através de filmes separados, eles se aproximam [ 1273].

 Nanobubbles superfície e volume de fase tanto pode dar lugar à outra difícil explicar atração de longo alcance entre superfícies hidrofóbicas . Como a temperatura sobe de soluções aquosas, a solubilidade de gases não-polar cai, aumentando assim o gás liberado e nanobubble volume e cobertura da superfície [ 842] Mas, geralmente, de efeito muito menor sobre a concentração de nanobubble.

Superfície das nanobolhas variam consideravelmente em dimensões, mas normalmente eles podem ter dimensões de r = 50 nm - 6 mM, r S = 25-1000 nm, h = 5 - 20 nm, com ângulos de contato (θ = 135 ° - 175 °) muito maior do que o esperado a partir de estudos macroscópicos. O excesso de pressão interna não é grande quando o raio da bolha é maior do que cerca de um mícron. um

A razão mais provável para a presença de longa duração de nanobolha é que o nanobubble interface gás / líquido é cobrado , a introdução de uma força oposta à tensão superficial, assim retardando ou impedindo a sua dissipação. Superfícies curvas aquosa pode introduzir uma carga de superfície devido à estrutura molecular da água ou a sua ionização. É claro que a presença de cargas como na interface irá reduzir a tensão superficial aparente, com repulsão carga agindo na direção oposta à minimização de superfície devido à tensão superficial. 

Qualquer efeito pode ser aumentada pela presença de materiais adicionais cobrados que favoreçam a interface gás-líquido, como OH - íons em pH neutro ou básico.É mais provável que as cargas de superfície são estabilizadas pela maior concentração de gás dissolvido na camada superficial, o que ajuda a produzir um ambiente favorável à ânions caotrópicos grande.

Nanobubbles têm uma tendência para a auto-organização [ 1269 ] em muito da mesma maneira como acusado de óleo-água emulsões, colóides [ 1275] E nanopartículas. Isto é devido à sua carga, a atração de longo alcance [ 1322] E difusão lenta.

Onde há um grande número de nanobubbles fase em massa, como na eletrólise de soluções aquosas, há relativamente grandes quantidades de água associada com as superfícies, que podem dar origem a efeitos de uma maior hidratação, devido à sua maior capacidade de formar pontes de hidrogênio novo.

A questão de saber por que esses efeitos carga de superfície não são vistos a afetar a determinação da tensão superficial, quando diversas condições, como pH e soluto são usados. A resposta pode ser parcialmente que nanobubbles pequenas estão constantemente em movimento de tal forma que perdem contra-íons além de seus aviões de deslizamento, e em parte de que o efeito da superfície cobrada é mais forte durante a fase de gás dielétrico de baixa formado pelas superfícies fortemente curvado.

Comprimento de onda de excitação em 260 nm, nanobubbles parecem dar dois grandes bandas-estrutura menos fotoluminescência em 345 nm e em 425 nm que pode ser devido à densidade de carga eletrônica induzida pela concentração de compostos iônicos hidratados em sua interface [ 800b]. 

O efeito da carga de superfície sobre a tensão superficial e estabilidade nanobolha.

Na análise que se segue mostra-se que carga de superfície pode contrariar a tensão superficial, evitando assim altas pressões dentro da nanobolha. Claramente, a densidade de carga líquida final na superfície é que a necessária para a estabilidade. Pode-se esperar que com o aumento da densidade de carga, com a redução nanobubble, então alguns densidade de carga vai ser expulso para a maioria mas não está claro até que ponto isso irá ocorrer, a energia necessária para a expulsão bdeve ser menor que o aumento da energia devido à abordagem das acusações. 

Em qualquer caso, a densidade de carga de superfície será sempre mais lento o processo de colapso nanobubble. Mesmo com a densidade de carga de equilíbrio, o gás contido se dissolverá se a interface solução é sub-saturadas, embora isso seja improvável, se a superfície da água líquida é exposta também em contacto com o gás semelhante a uma pressão similar.

O efeito de cargas na interface água / gás é mostrado oposto, com as cargas superficiais negativas repelir uns aos outros e assim estendendo a superfície.O efeito das acusações é o de reduzir o efeito da tensão superficial. 

Como a força de repulsão entre cargas iguais aumenta inversamente proporcional ao quadrado de suas distâncias à parte as acusações causar um forte aumento da pressão para fora, como diminui o diâmetro da bolha. Bem como tende a aumentar os diâmetros nanobubble, carga de superfície será claramente também tendem a aumentar os ângulos de contato.

 O maior van der Waals atração em toda a bolha de gás também auxilia na superfície nanobubbles achatamento [ 1274].

A tensão superficial tende a reduzir a superfície enquanto a carga de superfície tende a expandi-lo. Equilíbrio será alcançado quando essas forças opostas são iguais. Suponha que a densidade de carga de superfície na superfície interna da bolha (raio r) é Φ (C m -2 ). A pressão para fora (P fora , Pa) pode ser encontrado resolvendo as equações de Navier-Stokes para dar Pressão para fora = phi ^ 2/2xdielectricconde D é a constante dielétrica relativa da bolha de gás (assumiu a unidade), ε 0 é a permissividade de um vácuo (= 8,854 pF m -1 ). 

A pressão para dentro (P no , Pa), devido à tensão superficial sobre o gás é Pressão para dentro = 2xsurface tensão / raio, onde γ é a tensão superficial (0,07198 N m -1 , 25 ° C). Portanto, se essas pressões são iguais, rΦ 2 = 2.55x10 -12 C 2 m -3 = ~ 0,1 (e - nm -2 ) 2 nm. Para diâmetros nanobubble de 5 nm, 10 nm, 20nm, 50 nm e 100 nm a densidade de carga calculada para zero excesso de pressão interna é de 0,20, 0,14, 0,10, 0,06 e 0,04 e - nm -2 superfície da bolha, respectivamente. 

Densidade de carga devem ser atingíveis; anion superfície por exemplo, um a cada cerca de 250 moléculas de água de superfície seria estabilizar a 100 nm de diâmetro nanobubble. O raio aumenta nanobubble como a carga total sobre a bolha aumenta ao poder 03/02. Sob essas circunstâncias em equilíbrio, a tensão superficial "eficaz" da água na superfície nanobubble é zero. 

A presença do gás cobrado na bolha claramente aumenta o tamanho do nanobubble estável. Maior redução no tamanho da bolha não seria indicada, uma vez que causaria a redução da pressão interna para abaixo da pressão atmosférica.

A teoria acima, poderia prever que a carga de superfície maior aumentaria o diâmetro de nanobubbles. Isto tem sido demonstrado por meio da variação do diâmetro nanobubble com pH. O aumento do pH leva a aumento do diâmetro nanobubble juntamente com o aumento da OH - concentração [ 506 ]. Recentemente, foi mostrado como a estabilidade da nanobubbles varia com pH e força iônica [ 1298] Em total acordo com a teoria aqui apresentada.

É possível que a bolha iria dividir para dar bolhas menores, devido à carga de superfície. Supondo-se que uma bolha de raio r e carga total q divide para dar duas bolhas de volume compartilhado e cobrar (raio r ½ = r / 2 1 / 3 , a carga q ½ = 0.5q), e ignorando a interação de Coulomb entre as bolhas, cálculo da variação da energia devido à tensão superficial (ΔE ST ) e carga de superfície (ΔE q ) dá:

ΔE ST = 2 x 4πγr ½ 2 - 4πγr 2 = 4πγr dois (2 1 / 3 - 1) `
Dest = (carga ^ 2 / (x 8pi e0 x raio)) x (1-2 ^ (-2 / 3))

A bolha é metaestável se a mudança de energia total é negativa, que ocorre quando ΔE ST + ΔE q é negativo,

Verificando se DEST + DEQ = <0

que dá a relação entre o raio ea densidade de carga (Φ):

Phi = carga / (4Pi xr ^ 2))> = sqrt (k / r)

Para diâmetros nanobubble de 5 nm, 10 nm, 20nm, 50 nm e 100 nm a densidade de carga calculada para dividir bolha é de 0,12, 0,08, 0,06, 0,04 e 0,03 e - nm -2 superfície da bolha, respectivamente. Para a mesma densidade de carga superficial do diâmetro da bolha é sempre cerca de três vezes maior para reduzir a tensão superficial aparente a zero do que para dividir a bolha em dois. Assim, as bolhas nunca vai dividir a menos que haja uma entrada de energia adicional.

A presença de íons de sal afeta negativamente a estabilidade de agregação nanobubble causando seguido por coalescência em concentrações mais elevadas de sal [ 1435]. O comportamento de agregação é semelhante ao da salga de partículas coloidais, devido à triagem da carga de partículas pela força iônica da solução. Coalescência é devido às mudanças na interface gás-água.

fonte: http://www.lsbu.ac.uk/water/nanobubble.html

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