吡嗪功能化的大孔金属有机框架，用于高效分离乙炔/二氧化碳和乙烷/乙烯

《Journal of Colloid and Interface Science》：Pyrazine functionalized large–pore metal–organic framework for efficient separation of acetylene/carbon dioxide and ethane/ethylene

纳米气泡（NBs）在超高浓度下的形成机制、稳定性及行为特性研究。采用不同气体（O?、N?、空气、Ar）在剪切力作用下生成NBs，浓度达3.0×10? particles/mL，平均尺寸90-100 nm。结果表明Ar和N? NBs更稳定，ζ电位-30至-60 mV证实静电排斥（DLVO理论），稀释时浓度-体积呈线性关系，揭示NBs兼具胶体和均相溶液特性。

　　纳米气泡（Nanobubbles, NBs）因其独特的物理化学特性，如异常的稳定性，而在多个领域展现出广泛的应用价值。这些气泡通常定义为直径小于400纳米的气体填充空腔，它们在液态基质中表现出显著的物理行为，包括低浮力和极低的上升速度，这些特性使得它们在液体中的运动主要由布朗运动主导。纳米气泡在水处理、生物医学、农业、水产养殖以及太空探索等领域具有重要的应用潜力，这主要得益于其高比表面积和优异的气体传输能力。然而，尽管纳米气泡引起了学术界和工业界的广泛关注，其形成机制、稳定性以及在高浓度下的行为仍存在许多未解之谜。

本研究旨在深入探讨纳米气泡在超高浓度条件下的双重行为，即其作为气体-液体界面或胶体悬浮物的特性。通过应用不同的气体（如氧气、氮气、空气和氩气）并利用剪切力生成纳米气泡，研究者对其在长期储存、搅拌、超声处理和稀释过程中的浓度、尺寸、气体饱和度和ζ电位进行了系统监测。研究结果表明，无论使用何种气体，通过低能耗的纳米气泡生成系统，都可以高效地获得超高浓度的纳米气泡（约3.0×10?个/mL）。这一发现对于纳米气泡的广泛应用具有重要意义，因为高浓度的纳米气泡可能在提高气体传输效率和优化液体中气体与溶质的均匀分布方面发挥更大的作用。

在实验过程中，研究人员采用了多种分析手段，包括纳米粒度分析（NTA）和动态光散射（DLS）技术，以评估纳米气泡的特性。NTA方法相较于DLS方法在纳米气泡的表征方面显示出更高的准确性。这一结果可能与纳米气泡的尺寸较小以及其在液体中的行为与传统胶体或气泡存在差异有关。此外，研究还发现，使用氩气和氮气生成的纳米气泡在物理扰动下的稳定性优于空气和氧气生成的纳米气泡。这种差异可能与氧气的化学活性和极化性有关，使得其在面对外界扰动时更容易发生聚集或破裂。

在纳米气泡的稳定性方面，研究者通过ζ电位的测定发现，纳米气泡通常具有高度负的表面电位，范围在?30到?60 mV之间。这一现象与经典的DLVO理论（Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek理论）相一致，表明纳米气泡之间的静电排斥力在维持其稳定性方面起到了关键作用。同时，纳米气泡的高曲率表面和界面电荷的积累也对其稳定性产生了积极影响。在液体中，纳米气泡表面通常会积累较多的氢氧根离子（OH?），从而形成电双层结构，产生静电排斥效应，防止纳米气泡的聚并，使其表现出类似于胶体的行为。

纳米气泡的生成方法多种多样，包括水力空化、声学空化、有机溶剂-水混合、电场作用以及可溶性气体的压缩-释放技术等。其中，压缩-释放技术是唯一需要外部气体供应的方法，而其他方法则可以通过液态中的溶解气体核来生成纳米气泡。本研究采用的是静态混合器，通过施加高剪切力在中等压力（10 psi）下生成纳米气泡。这种方法不仅降低了生成过程的能耗，还使得纳米气泡的浓度和尺寸能够在不同气体条件下保持一致，为纳米气泡的大规模生产和应用提供了新的思路。

在实际应用中，纳米气泡的高浓度特性可能对其在液体中的行为产生重要影响。例如，在水处理领域，高浓度的纳米气泡可以更有效地促进污染物的去除，提高水体的净化效率。在生物医学领域，纳米气泡可能被用于药物输送或细胞靶向治疗，其高稳定性有助于保持药物在体内的有效浓度。在农业和水产养殖中，纳米气泡可以改善土壤和水体的氧气供应，促进植物和水生生物的生长。而在太空探索中，纳米气泡可能被用于维持生命支持系统中的水循环和气体交换。

此外，纳米气泡的超高浓度还可能对其在宏观尺度上的物理化学性质产生影响。例如，纳米气泡的高表面电荷和低浮力可能改变液体的表面张力、氢键能力以及水分子的运动模式。这些变化可能对水的理化性质产生深远影响，进而影响其在不同应用场景中的表现。因此，理解纳米气泡在高浓度下的行为不仅有助于优化其生成和应用过程，还可能揭示其在液体中潜在的新型物理化学效应。

研究中还特别关注了纳米气泡在不同条件下的行为变化。例如，在开放系统和封闭系统中的长期储存条件下，纳米气泡的浓度和尺寸分布可能会发生变化。搅拌和超声处理可能会影响纳米气泡的稳定性，导致其聚集或破裂。而稀释过程则可能改变纳米气泡的浓度和气体饱和度，从而影响其在液体中的行为。这些实验条件下的分析有助于全面了解纳米气泡在不同环境中的表现，为其实用化提供理论依据。

在实际应用中，纳米气泡的稳定性是其性能的关键因素之一。如果纳米气泡在储存或运输过程中发生聚集或破裂，其应用效果将大打折扣。因此，研究纳米气泡在不同条件下的稳定性对于其在工业和科研领域的推广至关重要。通过本研究，研究人员发现，氩气和氮气生成的纳米气泡在面对物理扰动时表现出更高的稳定性，这可能与这些气体的化学惰性有关。相比之下，氧气和空气生成的纳米气泡更容易受到外界因素的影响，这可能是由于氧气的化学活性较高，导致其在液态中的行为更加复杂。

除了稳定性之外，纳米气泡的浓度和尺寸分布也是影响其应用效果的重要因素。在本研究中，研究人员通过静态混合器成功生成了超高浓度的纳米气泡，其浓度达到了约3.0×10?个/mL，这远高于传统方法所能达到的浓度范围（通常在10?到10?个/mL之间）。这种高浓度的纳米气泡可能在某些特定的应用场景中发挥更大的作用，例如在需要高气体传输效率的生物系统中，或者在需要均匀气体分布的水处理工艺中。

在实验过程中，研究人员还发现，纳米气泡的浓度与稀释后的体积之间存在线性关系，这一现象与理想溶液的特性相似。这表明，纳米气泡在稀释后的行为可能更接近于气体的均匀分布，而不是传统的胶体行为。这一发现对于理解纳米气泡的物理化学特性具有重要意义，也为进一步研究其在不同浓度下的行为提供了新的视角。

综上所述，本研究不仅验证了超高浓度纳米气泡的生成可行性，还揭示了其在不同气体条件下的行为差异，以及在不同实验条件下的稳定性变化。这些发现为纳米气泡的理论研究和实际应用提供了重要的参考，有助于推动其在多个领域的进一步发展。未来的研究可以进一步探讨纳米气泡在超高浓度下的微观行为，以及其在复杂环境中的表现，从而为其在实际应用中的优化提供更全面的理论支持。