界面纳米气泡溶解动力学及稳定性的分子模拟和理论研究

发布时间：2021-10-16 22:47

　　近年来,纳米级别的气泡被发现存在于各种固体表面上以及主体液相中,其分别叫做界面纳米气泡以及体相纳米气泡。研究表明这些气泡的寿命为数小时,数天甚至数周。纳米气泡出人意料的稳定性与经典的热力学相悖。根据拉普拉斯方程,由于其具有很小的曲率半径,在这种情况下纳米气泡内部的压力会非常高,故纳米尺度上的气泡根本不可能存在。对于仅有微米或纳米大小的气泡,经典理论预测它们会在一瞬间消失。因为纳米气泡的存在打破了人们对气体行为的常规认知,而且它在制药,浮选,水清洁等许多领域有着潜在应用,所以纳米气泡的稳定机制是该领域的核心问题。本文主要通过计算机模拟方法结合一些理论分析围绕纳米气泡的稳定性问题进行了研究,研究成果如下（1）共存的气相和液相之间的弯曲界面在现实中无处不在,亨利定律是否适用于高度弯曲的气液界面这一问题目前还有待解决。以稳定的界面纳米气泡为例,其具有高度弯曲的气液界面,我们通过分子动力学模拟以及热力学分析研究了亨利定律作用于弯曲界面上的可行性。本研究表明,随着界面纳米气泡曲率的增加,亨利定律的预测与模拟结果之间的差距越来越大。亨利定律系数的这种曲率依赖性归因于液相中气体的非理想性,这是因为界面... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：90 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－２?（ａ）?Ｌｍｉ等人观察到的纳米气泡ｍ?（ｂ）?Ｉｓｈｉｄａ等人观察到的纳米气泡间??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｎａｎｏｂｕｂｂｌｅｓ?ｏｂｓｅｒｖｅｄ?ｂｙ?⑷?Ｌｏｕ【７］?ｅｔ?ａｌ．?ａｎｄ?（ｂ）?Ｉｓｈｉｄａ［８】ｅｔ?ａｌ．??

最热门讨论度最高的课题非纳米气泡异常的稳定性问题莫属了，其中??一种观点便是溶液中的污染物附着在纳米气泡的表面使纳米气泡的表面张力大大降??低进而延长了它们的寿命。这时则需选用后两种产生纳米气泡的方法来排除有机物的??影响。??Ｓｔａｇｅ?１?Ｓｔｄｇｅ?２?Ｓｔａｇｅ?３??Ｆｌｕｉｄ?ｃｅｌｌ??＼?Ｆｌｕｉｄ?ｃｅｌ！?丨？？Ｆｌｕｉｄ?ｃｄｌ??Ｗ?／ｉｒｒ?Ｗ??Ｗａｔｅｒ?Ｗａｔｅｒ?Ｅｔｈａｎｏｌ?Ｅｔｈａｔｉｏｌ?Ｗａｆｅｒ??—．Ｈ—ｍ＇??图１－３乙醇和水溶液替换过程示意图［４５】??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｒａｗｉｎｇ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｔｈａｎｏｌ?ａｎｄ?ｗａｔｅｒ?ｅｘｃｈａｎｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ１４５１??接下来是使用频率第二高的方法用直接滴加法［８，５４＿５６］产生纳米气泡，此方法在??２０００年由Ｉｓｈｉｄａ等人［８］所在的课题组首次采用。该方法后来也较为常用的原因在于该??方法操作起来最为简单，仅仅需要一步即可。该方法的详细操作就和该方法的命名一??致，在具有疏水性的基底表面上直接滴加水溶液，那么由于基底具有疏水性不能被水??完全的润湿，所以气体就会在基底与水溶液之间聚集从而产生纳米气泡。后来科研人??员又把这种方法进行了推广，也可以将疏水的基底直接放进水溶液当中，与前者原理??相同这也会使基底与水溶解的交界处附近产生纳米气泡。在２００１年，Ｔｙｒｒｅｌｌ和Ａｔｔａｒｄ??两人［５７］就是把表面经过疏水化处理的玻璃直接放入水溶液之中，之后他们用原子力显??微镜观察到了纳米级的物质并证实了该物质就是纳米气泡。该方法除了操作简单的优??点外，由于

?北京化工大学硕士研究生学位论文???Ｃ？〇?吱?ｗａｔｅｒ??（ｆｗｈ??ｊｉｎ?ｌｌｉｌｌ］／＾Ｃ?＾Ｖ＼ｉｌ｜｜ｌ??＇一??图１－４动力学平衡机制的示意图【８５！??Ｆｉｇ．?１－４?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｒａｗｉｎｇ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｙｎａｍｉｃ?ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ１８５１??第三种理论解释是线张力机制，Ｙａｎｇ等人［７６］推测纳米气泡具有较大的线张力从??而使其气液接触线不易弯曲，这就解释了为什么科研人员观察到的纳米气泡外形是扁??球形。气泡很扁意味着其曲率半径较大，进而根据附加压力与曲率半径成反比的关系??即可得到较大的线张力可以降低纳米气泡的附加压力从而减慢其溶解。随后科研人员??［８７，?８８】根据此推测估算出维持纳米气泡长时间稳定所需的线张力值大约为ｌ〇＿６Ｊ／ｍ，然??而在之后的一段时间科研人员从实验、模拟、理论三个方面计算出线张力在ｉ〇－１Ｑ－ｉ〇－１２??Ｊ／ｍ之间［８９＿９１］故推翻了这种解释。??第四种理论解释是高密度机制，其又可细分为两种解释。Ｗｅｉｊｓ等人人为同??一区域上的纳米气泡数量很多，它们彼此很接近这会降低气体溢出的速率，与此同时??从一个纳米气泡中溢出的气体可以流入另一纳米气泡从而使其相互稳定。如果此假设??成立，那么实验中观察到的邻近的纳米气泡大小应该很接近，但Ｚｈａｎｇ等人［２２］实际观??察到位于同一区域上的纳米气泡大小不一。Ｐｅｎｇ等人则是认为具有疏水性的固体表??面对气体有较强的吸引作用，所以气泡内部气固界面附近的气体密度会很高，之后他??们利用分子动力学模拟展示了这一现象，纳米气泡内部垂直基底表面方向气体密度有

【参考文献】：
期刊论文
[1]温差法制备纳米气泡及温度的影响[J]. 管旻,郭文,高莲花,唐雨钊,胡钧,董亚明.  上海师范大学学报(自然科学版). 2012(02)
[2]Long lifetime of nanobubbles due to high inner density[J]. ZHANG LiJuan1,2, CHEN Hao3, LI ZhaoXia1,2, FANG HaiPing1 & HU Jun1,4 1 Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China; 2 Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 3 Department of Physics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China; 4 Bio-X Life Science Research Center, College of Life Science and Biotechnology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China.  Science in China（Series G:Physics,Mechanics & Astronomy）. 2008(02)



本文编号：3440636