全面解析“纳米气泡”的神奇之处

按照气泡直径不同可分为大气泡、微米气泡、纳米气泡等，“纳米气泡”是直径1微米以下的气泡，又称“超细气泡”。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；另一种就是体相纳米气泡，悬浮在液体中的球形纳米气泡。

我们可以来换算一下：

第一步：

1厘米=10毫米

1毫米=1000微米

1微米=1000纳米

第二步：

1厘米=10000微米

1厘米=10000000纳米

那么“纳米气泡”究竟是什么？

“纳米气泡”这一概念最早源于19世纪80年代初，当时科学家们在测量2个疏水界面之间的界面作用力时，发现存在着一种神秘疏水长程引力，这一谜题的出现，让科学家们意识到纳米气泡可能是存在的。由于纳米气泡的存在有悖于经典热力学和统计力学理论，因此，对于纳米气泡是否真的存在，以及如何解释它的稳定性，学术界一直处于激烈的争论中。

直至2000年，我国科学家胡钧团队首次利用先进的纳米成像技术观察到了固液界面纳米气泡的图像，首次给纳米气泡拍了照片，自此解开了纳米气泡神秘面纱的一角，为纳米气泡的存在提供了最直观的证据。

近些年的研究发现，纳米气泡具有比表面积大、上升速度慢、气泡表面电荷富集、稳定性好、长寿命等特点，这种天生的优点让这种气泡成为气体溶解的超级神器。尤其是氢气这种极小且难溶于水的气体分子，纳米气泡可能是极好的氢水高效溶解技术。

在日常生活中，我们使用纳米气泡技术制备氢水，纳米气泡可以像“胶囊”一样包裹住氢气，牢牢的将氢分子这个爱逃跑的小精灵锁在气泡里，可以实现锁氢效果，使氢水稳定长期保持高氢状态，并且利用纳米气泡不会轻易跑出水体的特性，可以做出更高浓度、氢气溶存期更长的氢水。小分子团也更有亲和力，更利于吸收的特征。

更有日本学者证实：纳米气泡氢水具有更强大的抗氧化能力

日本全州广岛大学学者Shinya Kato等在Materials Science andEngineering: C发表论文Antioxidant activities of nano-bubblehydrogen-dissolved water assessed by ESR and 2,2’-bipyridyl methods。该论文证明了纳米气泡氢水具有更强的抗氧化效果！

事实证明，纳米气泡上升速度慢且特殊的超长寿命，使氢水氢气溶存期更长！高浓度、高效率、低散失、强抗氧化，是纳米气泡氢水非常主要的优势所在。

1、纳米气泡的特性

（1）比表面积大

气泡的体积和表面积的关系可以通过公式表示。气泡的体积公式为V=4π/3r³，气泡的表面积公式为A=4πr²，两公式合并可得A=3V/r，即V总=n·A=3V总/r。

也就是说，在总体积不变（V不变）的情况下，气泡总的表面积与单个气泡的直径成反比。

根据公式，10微米的气泡与1毫米的气泡相比较，在一定体积下前者的比表面积理论上是后者的100倍。空气和水的接触面积就增加了100倍，各种反应速度也增加了100倍。

（2）存在时间长

根据斯托克斯定律，气泡在水中的上升速度与气泡直径的平方成正比。气泡直径越小则气泡的上升速度越慢。

从气泡上升速度与气泡直径的关系图可知，气泡直径1mm的气泡在水中上升的速度为6m/min，而直径10μm的气泡在水中的上升速度为3mm/min，后者是前者的1/2000。

如果考虑到比表面积的增加，纳米气泡的溶解能力比一般空气增加20万倍。纳米气泡由于自身体积很小，在水中所受浮力相应也很小，从而表现出上升缓慢的特性。

此外，水分子一直处于流动状态，纳米气泡在水中上升的同时，还受到水分子运动的影响而左右运动，呈现曲线上升状态。

纳米气泡与普通气泡在水中上升状态

（3）气液传质率高

液体中气体的体积和直径共同决定了气液的比表面积，气液的比表面积又决定了气体的传质效率。通过气液界面的表面张力理论能够发现，当气泡的直径变小时，其表面张力对其的影响将会变得越明显。纳米气泡相对于普通气泡拥有更小的直径，因此它受到其表面张力的影响更大并且在促使其收缩，同时逐渐增大气泡的内部压力。

当纳米气泡的收缩达到某一极限值时，气泡内部的气压将会趋于无限大，这种自增压效应会使纳米气泡溶于水或者在水面处破裂消失。通过上述过程，可以使得水中的气体溶解率达到一种过饱和的状态，实现了气液传质，同时产生较好的传质效率。

（4）界面电位高

纯水溶液是由水分子以及少量电离生成的H⁺和OH^-组成，气泡在水中形成的气液界面具有容易接受H⁺和OH^-的特点，而且通常阳离子比阴离子更容易离开气液界面，而使界面常带有负电荷。已经带上电荷的表面一般倾向于吸附介质中的反离子，特别是高价的反离子，从而形成稳定的双电层。

微气泡的表面电荷产生的电势差常利用ζ电位来表征，ζ电位是决定气泡界面吸附性能的重要因素。当纳米气泡在水中收缩时，电荷离子在非常狭小的气泡界面上得到了快速浓缩富集，表现为ζ电位的显著增加，到气泡破裂前在界面处可形成非常高的ζ电位值。

纳米气泡界面双电层示意图

（5）释放自由基

微气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上集聚的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物如苯酚等，实现对水质的净化作用。

（6）气浮效果好

气体的气浮功能是指将气泡通入混有其他相的液体中，利用气泡具有的吸附性使其吸附在其他相表面，从而增大其他相在液体中的浮力，使其浮在液体表面，实现与液体分离的目的。

因此气泡的吸附性能越好，则气浮效果越好，而气泡的吸附性能取决于其直径的大小。气泡的直径越小则其表面的电位越高，因此更容易吸附于液体中其他相的表面，使其与液体分离。

（7）气体溶解率高

纳米气泡具有上升速度慢、自身增压溶解的特点，使得纳米气泡在缓慢的上升过程中逐步缩小成纳米级，最后消减湮灭溶入水中，从而能够大大提高气体（空气、氧气、臭氧、二氧化碳等）在水中的溶解度。

对于普通气泡，气体的溶解度往往受环境压力的影响和限制存在饱和溶解度。

在标准环境下，气体的溶解度很难达到饱和溶解度以上。而纳米气泡由于其内部的压力高于环境压力，使得以大气压为假定条件计算的气体过饱和溶解条件得以打破。

2、纳米气泡的产生原理

（1）气液二相流体混合/剪断方式

该方式通过水泵将气体（大气泡）卷入涡流水流，然后使涡流崩溃来压碎气泡，再通过出口喷嘴以纳米气泡形式放出。

气液二相流体混合/剪断方式

（2）加压减压方式

加压减压方式是指通过加压的方式在水体中形成过饱和状态。之后通过减压的方式释放溶解的气体，形成纳米气泡。

加压减压方式

（3）射流曝气方式

该方式主要通过射流曝气器生成纳米气泡。射流曝气器的喷嘴直径小，水流速度大，水流在进入气室后可形成局部真空。此时，气体可通过吸气管进入气室，与水流混合。通过混合管和扩散管后，在水中形成纳米气泡。

典型射流曝气器构造

（4）细孔方式

该方式是将压缩空气通过微孔板，利用微孔将气体切割成细小气泡。

细孔方式

（5）超声波方式

该方式通过超声空化的方式，使得液体由于压力的突然变化而产生气泡的爆发和溃陷，在水体中形成气泡。

超声波方式产生气泡

（6）加入界面活性剂的旋转切割法

在水体中添加界面活性剂，使用高速旋转（可达4000rpm）的圆盘在水中旋转，形成纳米气泡。

旋转切割法

3、纳米气泡应用广泛

（1）在水处理方面的应用

纳米气泡具有优秀的增氧能力、良好的气浮效果和强氧化性，可用于处理水中的有机物、氮磷以及有毒有害物质等，进而有效地改善水体水质。在水体增氧、强化臭氧化、气浮、增强生物活性等方面具有广泛应用。

（2）在种植业方面的应用

纳米气泡技术广泛地应用于养殖、水稻、无土栽培、促进种子发芽及增强水活性等农业领域。

（3）在医学方面的应用

在医学方面，利用氧气纳米气泡可以在给机体供氧的同时将药物直接送达病变部位，从而实现对病变部位直接治疗，减少手术的次数，使机体快速康复。

（4）在船舶运动减阻中的应用

通过在船体表面覆盖一层微纳气泡，可以变船体表面与水之间的摩擦为气体与水的摩擦阻，从而减小船舶航行阻力，提高航行速度。

（5）在精密化学反应中的应用

微气泡在精密化学反应中主要首先通过微气泡包裹或隔离反应原料，继而通入微管道或微容腔内使被气泡隔离的反应物相接触，在催化剂或超声波作用下发生化学反应。通过控制气泡的大小则能高精度的控制参与反应的原料多少，从而精密的控制化学反应的进程。

目前，纳米气泡已经得到了广泛的关注和研究，溶气析出气泡、引气制造气泡、电解析出气泡，超声波、化学反应、微管道、高温等纳米气泡发生原理等也得到研究和发展。纳米气泡凭借其独有的特性在化工、环境和医学、农业等方面具有良好的应用前景。