2020-12-02
摘要
微(wei)(wei)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)因其自(zi)身體(ti)積小、比表(biao)面(mian)積大(da)、自(zi)身增壓溶解等(deng)特(te)點，具有廣泛的(de)(de)應(ying)用價(jia)值。但微(wei)(wei)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)受氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)發生(sheng)(sheng)條件的(de)(de)影響很大(da)，需要依靠(kao)準確的(de)(de)檢測(ce)方法去優化氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)發生(sheng)(sheng)條件，檢測(ce)微(wei)(wei)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)性質(zhi)。本(ben)文借助動態(tai)圖(tu)像法和(he)納(na)米(mi)(mi)顆粒跟(gen)蹤(zong)(zong)分(fen)析技術，分(fen)別檢測(ce)了微(wei)(wei)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)和(he)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)：通(tong)(tong)過(guo)動態(tai)圖(tu)像法，測(ce)得微(wei)(wei)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)粒徑(jing)(jing)分(fen)布、氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)數量(liang)、球(qiu)形(xing)度等(deng)信息，用于表(biao)征、鑒別微(wei)(wei)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)；通(tong)(tong)過(guo)納(na)米(mi)(mi)顆粒跟(gen)蹤(zong)(zong)分(fen)析技術，測(ce)得納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)粒徑(jing)(jing)分(fen)布、濃度、電位等(deng)信息，用于全面(mian)表(biao)征納(na)米(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)性質(zhi)。
關鍵詞：微納(na)米(mi)(mi)氣泡，動態圖像(xiang)法(fa)，納(na)米(mi)(mi)顆粒(li)跟(gen)蹤分析技(ji)術
氣泡是生活中常見的(de)(de)(de)現象(xiang)之一。生(sheng)活中(zhong)(zhong)經(jing)常能觀察(cha)到氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)上浮、破(po)裂的(de)(de)(de)現象(xiang)，這些氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)都是我們(men)肉(rou)眼(yan)能觀察(cha)到的(de)(de)(de)大(da)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)。而實際上，水中(zhong)(zhong)除了我們(men)肉(rou)眼(yan)可(ke)見的(de)(de)(de)這些氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)之外，還存在(zai)更小尺(chi)度的(de)(de)(de)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)—微(wei)納米氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)。微(wei)納米氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)與肉(rou)眼(yan)可(ke)見的(de)(de)(de)大(da)氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)在(zai)粒(li)度、穩(wen)定(ding)性(xing)、比表面(mian)積等方面(mian)存在(zai)很大(da)差異。
微(wei)(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的主要(yao)特點包括(kuo)比表面(mian)(mian)積(ji)(ji)大、表面(mian)(mian)帶電荷、自(zi)身(shen)增(zeng)(zeng)壓(ya)溶解、上(shang)升速(su)度慢、產生(sheng)大量自(zi)由基等。在(zai)化學反應(ying)中(zhong)(zhong)，微(wei)(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)可用(yong)(yong)于(yu)增(zeng)(zeng)加氣(qi)體(ti)與(yu)液體(ti)的接觸面(mian)(mian)積(ji)(ji)，促(cu)進反應(ying)發生(sheng)。由于(yu)微(wei)(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)體(ti)積(ji)(ji)小，在(zai)水(shui)中(zhong)(zhong)上(shang)升速(su)度慢、存在(zai)時間長，也(ye)可以用(yong)(yong)在(zai)無土栽(zai)培及(ji)水(shui)產養殖(zhi)中(zhong)(zhong)，用(yong)(yong)于(yu)水(shui)體(ti)殺菌(jun)、增(zeng)(zeng)加水(shui)體(ti)供氧等。微(wei)(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)在(zai)破裂時還(huan)能產生(sheng)大量自(zi)由基，可用(yong)(yong)于(yu)降解常(chang)規(gui)條(tiao)件下(xia)難以降解的污染物，在(zai)工(gong)(gong)業(ye)和環(huan)境領(ling)域也(ye)有(you)(you)很高的環(huan)保應(ying)用(yong)(yong)價值。此外(wai)，微(wei)(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)在(zai)清洗工(gong)(gong)業(ye)器件的微(wei)(wei)(wei)孔表面(mian)(mian)、深層清潔皮膚等方面(mian)(mian)也(ye)有(you)(you)不可替代的應(ying)用(yong)(yong)價值。正(zheng)是因(yin)為有(you)(you)如此廣泛的實際應(ying)用(yong)(yong)價值，微(wei)(wei)(wei)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)目(mu)前已成為一(yi)個(ge)非常(chang)有(you)(you)前景的研究熱點。
在(zai)(zai)微(wei)(wei)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)實際生(sheng)(sheng)產過程中，不(bu)同(tong)的(de)氣(qi)泡(pao)(pao)發(fa)生(sheng)(sheng)器、不(bu)同(tong)的(de)氣(qi)泡(pao)(pao)發(fa)生(sheng)(sheng)條件（壓力、溫(wen)度(du)(du)等(deng)）、不(bu)同(tong)氣(qi)體等(deng)因(yin)素，都會(hui)直接影響微(wei)(wei)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)粒徑分布、濃度(du)(du)以及電(dian)位穩定性(xing)，進而影響微(wei)(wei)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)質量評估(gu)。而微(wei)(wei)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)實際應(ying)(ying)用價值，也與其粒徑、濃度(du)(du)、zeta電(dian)位等(deng)緊密相關。因(yin)此，在(zai)(zai)微(wei)(wei)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)制備及應(ying)(ying)用過程中，準確地檢測(ce)微(wei)(wei)納(na)米(mi)(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)粒徑、濃度(du)(du)和zeta電(dian)位，是(shi)十分必要的(de)。
一、微米氣泡的檢測
針對微(wei)(wei)米(mi)(mi)級(ji)的(de)(de)(de)較大氣泡(pao)(pao)(pao)，可(ke)(ke)以通(tong)過(guo)動態圖(tu)像法進行直接的(de)(de)(de)拍攝與(yu)檢測(ce)。動態圖(tu)像法是利用(yong)(yong)光源直接照射流經檢測(ce)區的(de)(de)(de)顆粒(li)(li)，并利用(yong)(yong)CCD檢測(ce)器獲取所有顆粒(li)(li)的(de)(de)(de)實時投(tou)影。它可(ke)(ke)以實時統計所有流經的(de)(de)(de)顆粒(li)(li)的(de)(de)(de)粒(li)(li)徑(jing)和數量，可(ke)(ke)以通(tong)過(guo)顆粒(li)(li)的(de)(de)(de)球形度、長(chang)寬比等參數來區分微(wei)(wei)米(mi)(mi)氣泡(pao)(pao)(pao)與(yu)其他(ta)類型(xing)的(de)(de)(de)物質，還可(ke)(ke)以通(tong)過(guo)氣泡(pao)(pao)(pao)粒(li)(li)徑(jing)與(yu)濃度的(de)(de)(de)區別(bie)來探究不同(tong)因素對微(wei)(wei)米(mi)(mi)氣泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)(de)影響，評(ping)估微(wei)(wei)米(mi)(mi)氣泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)(de)實際(ji)應(ying)用(yong)(yong)價值。
圖1.動(dong)態圖像法的測試原(yuan)理
圖2.動態圖像法(fa)檢測視野下的微米氣泡
我(wo)(wo)們知道，氣(qi)(qi)泡(pao)粒徑受氣(qi)(qi)泡(pao)發生(sheng)(sheng)條件的(de)(de)(de)影響很大(da)。但當我(wo)(wo)們改(gai)變氣(qi)(qi)泡(pao)發生(sheng)(sheng)壓(ya)力(li)時，會發現(xian)氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)粒徑并(bing)非(fei)一直隨氣(qi)(qi)泡(pao)發生(sheng)(sheng)壓(ya)力(li)的(de)(de)(de)變化而變化。我(wo)(wo)們在實(shi)際測(ce)試中，嘗試不斷(duan)增大(da)氣(qi)(qi)泡(pao)發生(sheng)(sheng)壓(ya)力(li)，再(zai)通過動態圖像法實(shi)時統計氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)發生(sheng)(sheng)效果，得到如下的(de)(de)(de)數(shu)據：
我(wo)們發(fa)現，當氣(qi)泡發(fa)生(sheng)壓力(li)從(cong)0.1MPa增加到0.3MPa時，氣(qi)泡的(de)(de)粒徑（D50%）在不(bu)斷(duan)減小，氣(qi)泡的(de)(de)數(shu)量(liang)也在迅速增多；但當氣(qi)泡發(fa)生(sheng)壓力(li)從(cong)0.3MPa繼續增大(da)時，氣(qi)泡的(de)(de)粒徑和數(shu)量(liang)一直處(chu)于穩定水平，不(bu)再(zai)有明顯的(de)(de)變(bian)化(hua)。從(cong)測定*氣(qi)泡發(fa)生(sheng)壓力(li)值的(de)(de)角度來看(kan)，0.3MPa是實際應用效果的(de)(de)壓力(li)值。
圖(tu)3.微米氣泡的(de)離散度(du)分(fen)(fen)析及球形度(du)分(fen)(fen)析
借助(zhu)動態圖像法，我們(men)還可以從(cong)球形度(du)、長(chang)寬比等角度(du)，鑒別非氣泡(pao)(pao)類顆粒(li)，統(tong)計非氣泡(pao)(pao)顆粒(li)的數(shu)(shu)目，進一步(bu)評估微米氣泡(pao)(pao)測(ce)試數(shu)(shu)據的可靠性。
二、納米氣泡的檢測
納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)粒徑很(hen)(hen)小，其在(zai)水溶液中的(de)(de)(de)布(bu)朗(lang)運(yun)(yun)動速率(lv)(lv)也(ye)很(hen)(hen)快(kuai)。所(suo)以，納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)很(hen)(hen)難直接(jie)通(tong)過圖像法進(jin)行測(ce)試(shi)。此時(shi)，我們借(jie)助納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)顆(ke)粒追蹤分析技術（Nano-particle Tracking Analysis，NTA）來檢測(ce)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)。納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)顆(ke)粒追蹤分析技術可直接(jie)檢測(ce)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)在(zai)水中的(de)(de)(de)布(bu)朗(lang)運(yun)(yun)動軌跡(ji)與速率(lv)(lv)，實時(shi)統(tong)計檢測(ce)視野(ye)內的(de)(de)(de)納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)數量(liang)，由此計算(suan)出納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)粒徑和(he)濃度；并通(tong)過對氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)溶液施(shi)加(jia)電場(chang)，獲取納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)在(zai)電場(chang)中的(de)(de)(de)電泳運(yun)(yun)動方向和(he)運(yun)(yun)動速率(lv)(lv)，直接(jie)計算(suan)出納(na)(na)米(mi)(mi)(mi)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)的(de)(de)(de)zeta電位，有助于評估氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)穩定性。
圖4.納米(mi)(mi)顆粒追蹤分析(xi)技術檢測視野下的納米(mi)(mi)顆粒
為了檢(jian)測(ce)不同氣(qi)(qi)泡(pao)發(fa)生條件引(yin)起的(de)納米氣(qi)(qi)泡(pao)差異(yi)，我們選用某品(pin)牌氣(qi)(qi)泡(pao)發(fa)生器(qi)，利用空氣(qi)(qi)在水介質中制(zhi)備納米氣(qi)(qi)泡(pao)樣品(pin)。該氣(qi)(qi)泡(pao)發(fa)生器(qi)有FB1和FB2兩(liang)個擋位，FB2擋位下水流(liu)速度更快。我們分別檢(jian)測(ce)了在不同擋位（FB1和FB2）、不同溫(wen)度（25℃和45℃）下所產生的(de)納米氣(qi)(qi)泡(pao)的(de)粒徑、濃度和zeta電位信息(xi)，檢(jian)測(ce)結果如下：
由以(yi)上結(jie)果可以(yi)看出：
（1）25℃下(xia)(xia)，由不同氣(qi)泡(pao)發生器擋(dang)(dang)位(wei)得(de)到的(de)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)樣品，其濃度比較(jiao)接(jie)近，均(jun)在106個/ml水(shui)平；zeta電(dian)位(wei)值(zhi)均(jun)為負值(zhi)；但FB2擋(dang)(dang)位(wei)下(xia)(xia)得(de)到的(de)納(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)的(de)粒徑更小，zeta電(dian)位(wei)值(zhi)更低一些。這可能與FB2擋(dang)(dang)位(wei)下(xia)(xia)水(shui)的(de)高流速、高剪切(qie)力有(you)關。
（2）45℃下，不同(tong)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)發生器擋位得(de)(de)到(dao)(dao)的納米氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)，其濃度也(ye)比較(jiao)接(jie)近(jin)(jin)，均在107個(ge)/ml水平，比25℃下得(de)(de)到(dao)(dao)的納米氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)的濃度高得(de)(de)多；粒(li)徑一(yi)致，均在126nm左右，比25℃下得(de)(de)到(dao)(dao)的納米氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)的粒(li)徑值都要小；zeta電位均為(wei)正值，且數值也(ye)更接(jie)近(jin)(jin)。
25℃下(xia)產生的(de)納米(mi)(mi)氣泡(pao)(pao)的(de)zeta電(dian)位(wei)為(wei)(wei)負值(zhi)，45℃下(xia)產生的(de)納米(mi)(mi)氣泡(pao)(pao)的(de)zeta電(dian)位(wei)為(wei)(wei)正值(zhi)。由此(ci)(ci)可(ke)以看到，溫度對(dui)此(ci)(ci)次測試中納米(mi)(mi)氣泡(pao)(pao)的(de)zeta電(dian)位(wei)影(ying)響非常(chang)大。
圖5.不同氣泡發生(sheng)條件下得到的(de)納米氣泡的(de)粒(li)徑(jing)分(fen)布
由上(shang)圖可以更直觀地看(kan)出，不(bu)同條件下得(de)到的(de)納米(mi)氣(qi)泡樣品在粒(li)徑和(he)濃度上(shang)的(de)差別。
微(wei)納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)具(ju)有(you)非常廣泛(fan)的(de)(de)實際應用價值，但氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)發生條件對微(wei)納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)影響很大。如何(he)優化(hua)微(wei)納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)發生條件，如何(he)快速地確認微(wei)納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)實際發生效果，都依賴于準確可靠(kao)的(de)(de)微(wei)納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)檢(jian)測技術。我們通過(guo)動態圖(tu)像法(fa)和納(na)(na)(na)米(mi)顆粒跟蹤分析技術，從不同的(de)(de)角度表征微(wei)納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)，實現對微(wei)納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)的(de)(de)準確檢(jian)測，為微(wei)納(na)(na)(na)米(mi)氣(qi)泡(pao)(pao)(pao)相關的(de)(de)研究(jiu)工作提供可靠(kao)的(de)(de)參考。
在線客服