解析高浓度纳米气泡溶液的行为：胶体性质对其生成和稳定性的影响

《Journal of Colloid and Interface Science》：Unraveling the behavior of highly-concentrated nanobubble solutions: The influence of colloidal nature on their generation and stability

本研究通过剪切力生成不同气体（O2、N2、空气、Ar）的纳米气泡（NBs），评估其在超高浓度（~3.0×10^9 particles/mL）下的稳定性及行为。结果表明，NBs大小稳定在90-100 nm，Ar和N2 NBs更耐物理扰动，可能与O2的活性和极化性有关。ζ电位（-30至-60 mV）证实静电排斥稳定，稀释后溶液体积与浓度呈线性关系，表明NBs兼具胶体和均匀溶液特性。

　　纳米气泡（Nanobubbles, NBs）因其独特的稳定性等特性，在多个应用领域中展现出重要价值。尽管NBs引起了广泛的关注，但其在水中的形成机制、稳定性以及在高浓度条件下的行为仍然存在诸多未解之谜。特别是在NBs的双重性质——即它们既可以被视为气液界面的结构，也可以看作是胶体悬浮物——方面，目前仍缺乏系统的理论和实践框架。本文旨在通过实验手段深入探讨NBs在超高浓度条件下的行为特征，从而更好地理解其在不同应用中的表现。

研究采用了不同的气体（如氧气、氮气、空气和氩气）在低能耗的生成系统中进行NBs的制造，并在长期储存、搅拌、超声处理以及稀释过程中对其浓度、尺寸、气体饱和度以及ζ电位进行了监控。实验结果表明，无论使用哪种气体，都可以高效地生成约100纳米的NBs，并且其浓度可达到约3.0×10?个/mL。这种超高浓度的NBs生成方式，相较于传统方法，具有更低的能耗，约为125瓦时。这一发现为NBs的大规模应用提供了重要的技术支持。

通过使用纳米颗粒追踪分析（NTA）技术，研究团队发现该方法在NBs的表征方面比动态光散射（DLS）技术更为准确。这表明，在研究NBs的物理和化学特性时，NTA能够提供更精确的数据支持。此外，研究还发现，氩气和氮气生成的NBs相较于空气和氧气生成的NBs表现出更强的物理稳定性。这种差异可能与氧气的反应性和极化能力有关，使其更容易受到外界条件的影响。

在电化学性质方面，NBs的ζ电位（表面电位）通常处于负值范围，从-30到-60毫伏之间。这种高度负的电位表明NBs之间存在显著的静电排斥力，从而有助于维持其在液相中的稳定悬浮状态。这一现象与DLVO理论（Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek理论）相一致，该理论描述了胶体颗粒之间的相互作用力。此外，NBs的高ζ电位也与其表面的电荷分布密切相关，特别是水–气界面处的羟基离子（OH?）的富集，形成了一个电双层结构，进一步增强了NBs的稳定性。

在实际应用中，NBs不仅在气体传输方面发挥着重要作用，还对液体的分散特性产生深远影响。由于NBs的极小尺寸，它们在液体中的分布极为均匀，能够促进气体和溶质的高效扩散。同时，由于其极低的上升速度（通常低于0.00001米/秒），NBs的运动主要由布朗运动主导，这使得它们在水体中能够长时间保持悬浮状态，而不会迅速逸出。这种特性在许多工业和环境应用中具有重要意义，例如水处理、生物医学、农业、水产养殖以及太空探索等领域。

然而，尽管NBs在多个领域展现出应用潜力，其形成和稳定性的基本机制仍不完全明确。例如，NBs在高浓度条件下的行为是否与传统胶体体系相似，仍需进一步研究。目前，已有研究表明，NBs在高浓度时表现出类似于胶体的行为，例如通过静电排斥力维持其分散状态。但这种行为是否适用于所有类型的NBs，以及其背后的物理化学机制，仍有待深入探索。

为了更全面地理解NBs的行为，研究团队对超高浓度的NBs溶液进行了系统分析。这些溶液在不同条件下的稳定性得到了评估，包括在开放和封闭系统中的长期储存、搅拌、超声处理以及稀释过程。通过这些实验，研究人员不仅能够观察到NBs在不同条件下的变化趋势，还能够深入探讨其浓度、尺寸分布、气体饱和度以及ζ电位之间的相互关系。

此外，研究还揭示了NBs在不同气体类型下的行为差异。例如，使用氮气和氩气生成的NBs表现出更强的抗扰动能力，而使用氧气和空气生成的NBs则更容易受到外界因素的影响。这种差异可能与不同气体在水–气界面处的相互作用有关，例如氧气的反应性可能使其更容易与其他物质发生反应，从而影响其稳定性。

在实验方法上，研究团队采用了静态混合器，通过施加高剪切力来生成NBs。这种方法在操作过程中具有较低的能耗和较高的效率，为大规模生产NBs提供了可行的路径。同时，研究还发现，NBs的生成和稳定性不仅依赖于气体的类型，还受到其他因素的影响，例如液体的性质、压力条件以及温度变化等。

通过这些实验，研究人员能够更准确地掌握NBs在不同条件下的行为模式，从而为相关技术的优化和应用提供理论依据。例如，在水处理过程中，NBs的高浓度和稳定性可能有助于提高污染物的去除效率；在生物医学领域，NBs的均匀分布和低上升速度可能有助于药物的靶向输送；在农业和水产养殖中，NBs可能有助于提高水体中的氧气含量，从而改善作物和水生生物的生长条件。

值得注意的是，NBs在高浓度条件下的行为可能与传统胶体体系存在显著差异。例如，在稀释过程中，NBs的浓度和体积之间表现出线性关系，这与理想溶液的行为相似。这种现象表明，NBs在某些条件下可能同时表现出胶体和均质气体腔体的特性，从而为理解其双重性质提供了新的视角。

综上所述，本文的研究不仅揭示了NBs在超高浓度条件下的生成机制和稳定性特征，还为理解其在不同应用中的行为提供了重要的实验依据。通过进一步的研究，有望在更多领域中实现NBs的高效利用，推动相关技术的发展。同时，研究结果也为未来探索NBs的物理化学性质及其在实际应用中的表现奠定了基础。