纳米气泡是氢气医学的最佳技术

1、最正确技术文件治理序列号：K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688纳米气泡是氢气医学的最正确技术氢水是一种理想的给氢方法,但是氢气难溶于水是制约氢水的最大障碍,庆幸的是,纳米气泡被证实是克服难溶气体溶解的最理想技术,理论上纳米气泡不可能稳定存在,但是事实证实这种气泡不仅能稳定存在,而且由于天生的优点让这种气泡称为氢气溶解的最大神器.不得不说,氢气医学来的时机正好,有纳米气泡相助,氢水不走向辉煌,氢气都不好意思.氢气医学给纳米气泡提供了理想舞台,纳米气泡给氢气医学提供了理想技术,氢医学纳米气泡是珠联璧合的技术.一般情况下,气液混合主要通过两种形式实现：一种是液体以液体的形式

2、自动进入气体中,另一种是气体向液体中鼓气.纳米气泡作为一种气体溶解新技术,是氢气医学的最正确最理想技术,这已经受到氢气医学产业和学术界的广泛接受和认可.我们从事医学和健康产业的学者和技术人员,对纳米气泡仍然存在隔行问题,有必要认真学习.相变技术应用范围广泛,如环境、农业、医疗、化工和能源等领域.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外表面积.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

3、间的热传质或反响表面.一、什么是纳米气泡气泡是指液体内充满气体的空穴,产生气泡的根本条件是液体内气泡内压不小于环境压力.气泡外表拥有不同于气泡所在液体性质的成分.外表活性剂对气泡的形成十分重要但并不是必须条件.由于浮力比拟大,大气泡一般会迅速上升到外表崩解,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.纳米气泡有两种根本类型,一种是非球形界面纳米气泡,是固定分布在液体和固

4、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.另一种就是我们比拟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、外表特征和气泡寿命.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.根据这个标准,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10100微米的范围,1-10微米为亚微米

5、气泡,10-1000纳米为纳米气泡.经典理论认为气泡越小外表张力越大,纳米气泡外表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.有学者其至无视纳米气泡和微米气泡存在被无视的直径范围,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纳米一10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楚的标准.2021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

6、为纳米气泡,这不仅模糊而且存在矛盾.总之,纳米气泡直径的最大尺度存在不同看法,直径小于1微米的气泡由于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.110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.Pgd2/18PP=密度,g=重力加速度,d二气泡直径,P二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

7、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H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到达平衡.小气泡由于外表张力作用内压增加,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,体积缩小导致外表张力效应增强,导致正反响效应,气泡会迅速崩溃.相反大气泡由于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,外表张力效应降低,气泡内压进一步降低

8、.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,体液中气体到达一定饱和度,一旦返回水面速度过快,身体内一些气泡会由于环境压下降而增大,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,能防止气泡发生融合,对抗浮力作用.在水平电场中,气泡电荷决定于水平速度v=Ce/u(v=水平

9、速度,C=zeta电位(V),£=水的介电常数(s2XC2XkgTXm-3),U=粘滞度(PaXs).)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.由于气泡越小,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+4y/d,气泡内压等于环境压与4丫/d的和(丫是外表张力(NmT),d是气泡直径(m),气泡直径越小,内

10、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,纳米气泡内压会到达非常高水平,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纳米液滴类似气泡外表张力确实能提升20倍.修改理论或寻找原因都有可能.有人提出可能是外表材料对外表张力产生的影响,也有人认为是过饱和溶液能降低纳米气泡外表张力,也是纳米气泡长寿命的原因.如气泡气液界面包含外表活性剂成心或偶然如蛋白质或去垢剂,外表活性剂能降低外表张力,降低气泡内压,增加气泡稳定性

11、.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熟悉.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

12、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,但研究证据说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

13、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,纳米气泡没有到达稳定平衡状态,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,两者到达平衡状态.第三种观点认为,Young-Laplace公式对纳米气泡不适用,由于纳米气泡外表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

14、,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,由于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比照拟大.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计算了液滴的外表张力,提出随着体积缩小外表张力相对降低.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1

15、21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,其特征就是气泡界面外侧呈负电,内侧呈正电.弯曲液体外表能产生电荷是由于水分子结构或离散性.电荷排斥和外表张力作用方向相反,具有降低内压和外表张力的作用.任何能增加负电荷的物质都有利于气液界面,如氢氧根离子或用防静电枪增加阴离子能缩小纳米气泡直径.普通纳米气泡直径约150纳米,二氧化碳纳米气泡混合1小时后直径只有73纳米,是因为二氧化碳气泡界面有高浓度碳酸根离子.与外表电荷类似,纳米气泡之间缺乏分子间范德瓦作用力气泡内电子密度接近为零,也能防止气泡融合.分析发现,纳米气泡外表电荷能对抗外表张力,防止纳米气泡内形成过高压,能减

16、少气体因高压向液体中溶解,防止气泡发生崩解.气泡到达平衡是稳定的根底,那么外表电荷密度对稳定性是需要的.当纳米气泡发生收缩时,电荷密度随之增加,在这个过程中,电荷密度,电荷是使气泡扩张的作用.即使在平衡状态,气泡内气体仍然可以向未饱和的液体中溶解,除非这种液体外表也充满该气体.盐离子浓度是影响纳米气泡稳定性的负面因素.研究发现,高盐离子能促进纳米气泡聚集和融合,聚集是粒子电荷受离子强度破坏导致的盐析现象,融合是由于气水界面发生了变化.纳米气泡稳定性也会受到溶液性质如酸碱度的影响,理论上碱性约大,气泡体积越大.除界面电荷是气泡稳定性增加的重要因素外,气泡和溶液之间气体双向扩散速率下降也是一种关键

17、因素.主要原因是气泡周围存在一层壳体样结构,这层结构内气体溶解度远高于周围H由度高的液体环境,这种现象在界面纳米气泡已经被证实,估计在体相纳米气泡也存在类似结构(图4).Ohgaki等发现,纳米气泡外表的氢键更强,限制了气体从气泡外表向溶液中释放.这层结构感觉很类似生物大分子外表的结合水,这种水由于和生物分子形成稳定的氢键,类似于晶体状态,活动度非常小,可能是导致气体溶解度增加的一个原因.这也类似于当前比拟热门的界面水效应的概念,纳米气泡大概可能算一种最平安的界面水溶液制备方法.上海生物物理所张立娟教授曾经用同步辐射软X线对纳米气泡外表这种水结构进行了研究,证实是一种非常特殊的水结构.图4.纳

18、米气泡外壳与普通纳米颗粒、胶体和油水乳液类似,纳米气泡也具有自组织趋势.可能是由于界面电荷、长范围吸引、扩散缓慢和界面高渗透压梯度等因素的联合作用.体相纳米气泡刚性大,不容易被压缩,但是拉伸容易扩张.体相纳米气泡数量多的情况如电解水纳米气泡,外表水比拟多,能形成更多氢键,水合作用更明显.纳米气泡能提升水分子流动性,这种现象可以用T2加权NMR质子弛豫时间延长来分析.S.Liu,etal.Chem.Eng.Sci.93(2021)250-256.260纳米激发波长,纳米气泡可以在345纳米和425纳米释放出两个微弱宽弱荧光带,可能是气泡界面水合离子化合物诱导的电荷密度产生.P.Vallee,et

19、al.J.Chem.Phys.122(2005)114513.矿物水中纳米气泡能被磁化,这种磁化能保持1天以上.K.Ueharaetal.Magnetics,47(2021)2604-2607.五、纳米气泡检测方法尽管纳米气泡非常稳定,但是气泡大小分布、气泡数量和平均大小都会随着时间发生改变.界面纳米气泡检测常用原子力显微镜.体相纳米气泡常用光散射、冷冻电子显微镜和共振质量测量,共振质量测量对区分固体颗粒是简单方便的技术.纳米气泡溶液特点会随着纳米气泡等效直径、数量和大小分布的影响.不同方法可能会有不同的测定结果.纳米气泡受到布朗运动影响大,外表有硬壳,其行为接近固体纳米颗粒.因此纳米气泡可以

20、用动态光散射方法进行测量,动态光散射是利用经过通过样品的反射波形改变进行分析.波形受颗粒布朗运动影响,大气泡产生的散射作用强,但波动比拟慢.用Stokes-Einstein公式计算扩散常数确定颗粒半径.D=kT/3nndD=扩散系数,k=波尔兹曼常数,T二绝对温度,n二粘度,d二颗粒直径.这种方法最多能测量每毫升10亿纳米气泡.分析总体信号可以获得气泡数量和大小分布,但不能获得每个气泡的运动情况.纳米气泡运动需要用纳米颗粒跟踪分析方法.图5光散射方法纳米颗粒跟踪分析如NanoSight是相对分析方法,这种方法利用光散射跟踪小体积80pL中的每个气泡,能确定特定时间纳米气泡在X或Y轴上的运动.颗粒运动速度决定于颗粒大小,体积越大速度越小.相对于动态光散射每毫升至少107个纳米气泡,纳米颗粒跟踪分析能分析更低浓度纳米气泡