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微纳米气泡研究发展历程

摘要

微纳米气泡（Micro/NanoBubbles,MNBs）作为一种新型的纳米尺度气泡，因其独特的物理性质和广泛的应用前景，近年来引起了科学界的广泛关注。本文综述了微纳米气泡的研究背景、基本理论、制备方法、应用领域及发展历程，并探讨了未来研究的方向与挑战。随着制备技术和表征手段的不断进步，微纳米气泡在环境保护、医药、化工、能源、农业等多个领域的应用得到了快速发展。通过分析其发展历程，本文旨在为未来的微纳米气泡研究提供参考。

概述

微纳米气泡（Micro/NanoBubbles,MNBs）是指气泡直径小于1微米（纳米级）至100微米（微米级）之间的气泡，其具有非常高的比表面积、较低的扩散速率、较长的稳定性等特殊性质。自20世纪90年代初期微纳米气泡的概念被提出以来，相关的基础研究和应用研究得到了快速发展。微纳米气泡在医学、环境保护、能源开发等领域表现出了巨大的潜力，尤其在解决可再生能源的波动性问题、水污染治理、药物输送等方面具有独特的优势。

微纳米气泡的研究发展经历了从基础理论的建立、制备技术的突破，到实际应用的广泛探索。随着对微纳米气泡特性理解的深入，相关研究逐步扩展至纳米材料、流体力学、物理化学等多个学科领域。本文旨在回顾微纳米气泡研究的发展历程，并探讨该领域的技术难题、应用现状及未来趋势。

第一部分微纳米气泡介绍

一、微纳米气泡技术的发展历史

早在19世纪，研究者们就已经利用流体力学和物理学开始了对于毫米级气泡在液体中生成、上升过程的研究。上个世纪50年代，在化工领域开始了对气泡和液滴的研究。其后，两相流（气液、液液）特别是气液分散相的基础现象的研究成果，极大地促进了化工机械的大/规模应用。气泡的微细化是化学工业中促进物质移动，增进化学反应速度的关键技术，但在当时尚未出现能够应用于化工领域的微纳米气泡发生技术和手段。

微纳米气泡发生技术是20世纪90年代后期产生的，21世纪初在日本得到了蓬勃的发展，其制造方法包括旋回剪切、加压溶解、电化学、微孔加压、混合射流等方式，均可在一定条件下产生微纳米级的气泡。

?二、微纳米气泡的定义

?通常我们把气体在液体中的存在现象称作气泡。气泡的形成现象，在自然界中的许多过程中都能遇到，当气体在液体中受到剪切力的作用时就会形成大小、形状各不相同的气泡。目前，对气泡的分类与定义并不是十分严格，按照从大到小的顺序可分为厘米气泡（CMB）、毫米气泡（MMB）、微米气泡（MB）、微纳米气泡（MNB）、纳米气泡（NB）。所谓的微纳米气泡，是指气泡发生时直径在10微米左右到数百纳米之间的气泡，这种气泡是介于微米气泡和纳米气泡之间，具有常规气泡所不具备的物理与化学特性。

?三、微纳米气泡的特性

?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.上升速度慢

?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，微纳米气泡的溶解能力比一般空气增加20万倍。

?????3.自身增压溶解

???水中的气泡四周存有气液界面，而气液界面的存在使得气泡会受到水的表面张力的作用。对于具有球形界面的气泡，表面张力能压缩气泡内的气体，从而使更多的气泡内的气体溶解到水中。

??根据杨-拉普拉斯方程，?P=2σ/r,?P代表压力上升的数值，σ代表表面张力，r代表气泡半径。直径在0.1mm以上的气泡所受压力很小可以忽略，而直径10μm的微小气泡会受到0.3个大气压的压力，而直径1μm的气泡会受高达3个大气压的压力。微纳米气泡在水中的溶解是一个气泡逐渐缩小的过程，压力的上升会增加气体的溶解速度，伴随着比表面积的增加，气泡缩小的速度会变的越来越快，从而最终溶解到水中，理论上气泡即将消失时的所受压力为无限大。

?????4.表面带电

???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。