纳米气泡是氢气医学的最佳技术Word格式.docx

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气／液相变技术通常用于废水和水处理技术、水生态系统恢复、食品加工、水产农业、石化等行业。

大多数气液相变过程效率受到多种操作和介质性质的影响。

从传质理论角度，首先考虑的优化策略是增加接触表面面积。

重要影响因素包括混合器的设计、柱包裹材料、挡板结构、喷淋方法、注射喷嘴、分布器设计等，次要影响因素包括接触相之间的热传质或反应表面。

一、什么是纳米气泡气泡是指液体内充满气体的空穴，产生气泡的基本条件是液体内气泡内压不小于环境压力。

气泡表面拥有不同于气泡所在液体性质的成分。

表面活性剂对气泡的形成十分重要但并不是必须条件。

由于浮力比较大，大气泡一般会迅速上升到表面崩解，直径小于1微米的气泡也就是微纳米气泡因存在目前不了解的机制，能在液体中长时间稳定存在。

纳米技术领域，一般习惯把100纳米以下作为纳米颗粒的最大尺度，但是纳米气泡直径一般是大于100纳米，气泡研究领域一般把1000纳米以下作为纳米气泡或微纳米气泡，100微米以下为细小气泡。

纳米气泡有两种基本类型，一种是非球形界面纳米气泡，是固定分布在液体和固体界面上的气泡，这种气泡在学术界被研究相对充分，但应用相对少。

另一种就是我们比较熟悉的体相纳米气泡，就是悬浮在液体中的球形纳米气泡。

本文主要指体相纳米气泡。

虽然气泡的研究历史已经超过半个世纪，但是气泡的类型和分类一直存在争议。

学术上对气泡分类主要根据气泡性质的不同，最常用的指标是气泡大小、表面特征和气泡寿命。

这些特征主要决定于气泡大小，因此许多学者把气泡大小作为唯一分类标准。

按照这个标准，气泡被分为大气泡、微米气泡、亚微米气泡或纳米气泡，也有采用更通俗分类为大气泡、小气泡和超小气泡。

虽然学者们对气泡的大小范围具体有不同看法，但大多数同意微气泡直径应该在10－100微米的范围，1-10微米为亚微米气泡，10-1000纳米为纳米气泡。

经典理论认为气泡越小表面张力越大，纳米气泡表面张力大造成内压非常高，因此纳米气泡存在性和稳定性一直是有争议的话题。

许多学者使用不同技术探测纳米气泡。

与大气泡研究一样，学者们没有纠结于纳米气泡的定义。

有学者甚至忽视纳米气泡和微米气泡存在被忽视的直径范围，认为直径小于200纳米的气泡为纳米气泡，10微米以上的为微米气泡，对200纳米到10微米之间的气泡不去理会，也有学者把200纳米－10微米气泡定义为微纳米气泡，这说明对超细小气泡的分类缺乏清晰的标准。

2012年，吴等定义纳米和亚微米气泡，认为500纳米以下为纳米和亚微米气泡。

最近有学者认为直径小于数百纳米的气泡为纳米气泡，这不仅含糊而且存在矛盾。

总之，纳米气泡直径的最大尺度存在不同看法，直径小于1微米的气泡因为尺度和特征类似可分类为超细气泡或纳米气泡。

气泡分类不仅根据大小，而且根据其特征和在液体中的行为。

图1对不同气泡大小的分类进行了汇总。

1－10微米气泡其大小和特征都介于微米气泡和纳米气泡之间，被归类到亚微米气泡。

虽然学术界对微米气泡的特征有一致看法，但是对气泡的大小范围没有统一标准。

ρgd2/18μ（ρ=密度，g=重力加速度，d=气泡直径，μ=粘滞度）可计算气泡上浮速度。

气泡上漂浮速度和气泡直径的平方成正比，这种关系只使用于小气泡。

直径大于2毫米的大气泡由于外形发生变化，上升速度并不会受直径影响。

低于1微米的纳米气泡上升速度非常慢，远低于布朗运动，整体上表现为不上升。

除了浮力外，直径小于25-50微米的小气泡有自动收缩特性。

根据Henry定律，溶液中溶解气体的分压与气泡内气体分压一致时，气泡内气体溶解和溶液中气体向气泡内释放达到平衡。

小气泡由于表面张力作用内压增加，造成气泡内气体分压超过气泡周围溶解气体分压，气泡内气体超周围静溶解，这会导致气泡进一步缩小，体积缩小导致表面张力效应增强，导致正反馈效应，气泡会迅速崩溃。

相反大气泡因为上升周围静水压下降导致内压降低，减压导致气泡体积增大，气泡内气体分压降低，导致溶液中气体向气泡内静释放，这会导致气泡体积增大，表面张力效应降低，气泡内压进一步降低。

所以，在某气体饱和溶液中，这种气体的气泡有大者增大，小者缩小的趋势。

看来气泡也恰好符合马太效应。

这种情况非常符合潜水员减压病发生的过程，潜水员在水下停留一定时间后，体液中气体达到一定饱和度，一旦返回水面速度过快，身体内一些气泡会因为环境压下降而增大，这种趋势过于严重就导致气体阻断血流压迫组织等后果，就是典型的减压病。

治疗减压病的原理也很容易，就是把潜水员进行重新加压，加压的结果就是把大气泡变成小气泡，小气泡有变小消失的趋势，解决了气泡就解除了病因。

图2.经典气泡的马太效应纳米气泡也存在比较强的静电场，能避免气泡发生融合，对抗浮力作用。

在水平电场中，气泡电荷决定于水平速度v=ζε/μ（v=水平速度，ζ=zeta电位（V）,ε=水的介电常数（s2×

C2×

kg-1×

m-3），μ=粘滞度（Pa×

s）.）zeta电位一般是负值，但大多数与气泡直径无关。

zeta电位受水的pH值影响非常大，也受到离子强度影响（离子浓度越大，zeta电位越低）。

所有气泡都具有负电位，相互之间的静电排斥力能限制气泡融合。

因为气泡越小，需要的能量越大，因此小气泡分裂也不容易发生。

所以，小气泡可以增大或缩小，但不容易发生融合和破裂。

不可溶性气体可以形成超长寿命的纳米气泡。

根据Laplace公式，Pi＝Po＋4γ/d，气泡内压等于环境压与4γ/d的和（γ是表面张力（Nm-1），d是气泡直径（m）），气泡直径越小，内压越大。

10微米气泡内压约1.3个大气压，100微米气泡约1.03个大气压。

根据计算，纳米气泡内压会达到非常高水平，足以让内部气体迅速溶解消失。

这和纳米气泡具有长寿命的事实不符，说明这种理论本身存在缺陷。

现在还不能确定Laplace公式是否适合于纳米气泡，但是在没有电荷等其它影响因素存在的情况下，150纳米液滴（类似气泡）表面张力确实能提高20倍。

修改理论或寻找原因都有可能。

有人提出可能是表面材料对表面张力产生的影响，也有人认为是过饱和溶液能降低纳米气泡表面张力，也是纳米气泡长寿命的原因。

如气泡气液界面包含表面活性剂（故意或偶然）如蛋白质或去垢剂，表面活性剂能降低表面张力，降低气泡内压，增加气泡稳定性。

超声气泡造影剂和药物输送气泡就是利用这样的原理。

纳米气泡是有效的气液相处理过程，过去20年，这一技术受到大量研究人员的关注。

多数研究集中在微纳米气泡制备、测定和超细微气泡特性分类等方面。

最近有研究探索了微纳米气泡工业化应用的可能性。

根据初步研究结果，许多学者提出，水处理技术是微纳米气泡最有前景的领域。

即使最有前景的水处理领域，纳米气泡的研究仍然不充分，如现有研究对气泡大小的定义和分类方面都没有统一认识。

三、纳米气泡制备方法气泡产生是静态或准静态过程，然后进入融合和破裂的动态过程，气泡的形成、增大和崩溃空化过程。

根据气泡内容的不同，空化分为雾空化和气空化。

气泡形成主要是在特定温度情况下压强下降到某一个阈值，这类似于沸腾，区别是压强降低而不是温度增加。

气泡融合和气泡崩溃是小气泡的两种相反状态，小气泡结合起来可以变成大气泡，也能通过崩溃变成更小的气泡。

学者根据不同需要使用不同技术制备小气泡，气泡制备方法主要包括水力空化和颗粒空化、声学或声波降解法、电化学气蚀和机械搅拌等。

所有这些技术背后的物理学基础都是利益表面张力和能量消耗降低压强。

降压强空化有两种技术，一是利用水流湍流造成压强改变的水力空化，另一个是使用声波的空化作用。

局部能量耗竭空化可以用光源光子或其他基本粒子诱导。

在水处理技术中，水力空化是最常用的气泡制造技术，可以通过加压饱和、气泡剪切、分裂和机械搅拌等。

声或声波系统使用超声波，超声波探头有的放在液体内，也有放在液体外的。

声波空化是利用声波在液体中产生的高负压超过周围静水压产生空化作用。

声波空化有两种情况，第一种情况是均匀成核。

是液体在破裂时声波引起的拉应力超过分子间作用力。

实现这一目标所需的能量远远大于理论计算值。

因为液体本身具有非均匀性，气泡出现具有不确定性。

第二种类型的空泡是异相成核。

空化在液体最薄弱的区域出现。

例如液体中本来存在不容易扩散的气体。

电化学系统是用表面产生电流形成气泡的方法。

机械空化是利用高速搅拌的方法将有限体积的气体和液体进行混合，其原理和水力空化类似。

纳米气泡的基本制造方法有四类，一是加减压法，二是机械旋切法，三是超声空化法，四是湍流管法。

一般是将多种方法联合起来使用，可以获得比较好的效果。

四、纳米气泡超长寿命原因分析纳米气泡的稳定性一直存在争议，按照经典的Young–Laplace公式，当气泡体积越小，表面张力越大，内部压力越大，内部压力大会驱动气泡内气体向液体扩散溶解，表面张力和气体丢失的结果使气泡快速趋向缩小甚至崩溃消失。

例如，当气泡直径为159纳米时候，其表面张力为13.93mN/m，可产生大约452kPa的压力，相当于4.5个大气压。

这样高的内压已经达到气泡快速崩溃的情况。

理论上纳米气泡不可能长时间存在，但许多研究发现纳米气泡的寿命非常长。

也就是说，理论上液体中纳米气泡几乎不存在，但研究证据表明液体中纳米气泡能大量长时间存在。

需要强调的是，纳米气泡长寿命一个重要特点是有一个尺度范围，大约在150纳米附近，从50纳米到500纳米（图3），条件如温度、液体和气体成分不同这个范围有一定变化。

超过这个范围，如极小纳米气泡，仍然符合快速崩溃的特点，超过这个范围，正好处于经典气泡具有收缩趋势的范围。

图3.不同尺度气泡的特点纳米气泡超长寿命的原因有三个假说。

一种观点认为，纳米气泡没有达到稳定平衡状态，而是处于亚稳定状态，这种状态平衡速度非常缓慢。

第二种观点认为，纳米气泡是一种动态平衡状态，但是需要在过饱和溶液中。

这种条件下，新的纳米气泡不断形成和旧的气泡不断消失，两者达到平衡状态。

第三种观点认为，Young–Laplace公式对纳米气泡不适用，因为纳米气泡表面张力受到界面曲度和内部气体压力影响非常大。

如纳米气泡内压力只有1.4个大气压，远小于根据Young–Laplace公式的理论计算值。

纳米气泡浮力非常小，而周围溶液分子运动影响相对很大，导致纳米气泡长时间悬浮在液体中。

理论上5微米气泡就不会上升，因为这种气泡的浮力小于液体流动产生的影响，受到气泡之间和气泡和液体分子之间影响也相对比较大。

关于纳米气泡内压，一些科学界不同意根据Young–Laplace公式的理论计算值。

Tolman计算了液滴的表面张力，提出随着体积缩小表面张力相对降低。

纳米气泡内压力也可能低于Young–Laplace公式的理论计算值。

Nagayama等进行的分子动力学模拟也发现，纳米气泡内压力远低于Young–Laplace公式的理论计算值。

SeungHoonOh等进行的氢气汽油内纳米气泡的分析发现，氢气纳米气泡寿命可以稳定121天。

纳米气泡稳定的关键因素是zeta电位。

纳米气泡具有zeta电位，