Esquema de la plataforma de recipientes a presión. (A) Las cuatro secciones principales son proveedor de gas, terminal de distribución, la propia celda de presión, y chaqueta de regulación de temperatura. Los gases de alta pureza (nivel N5) (metano y O2) se suministran al tanque de 0.34 litros, Recipiente montado en balancines y acero inoxidable con clasificación de 200 bares a través de la terminal de distribución, con limpieza de línea antes de purgar el gas deseado, por medio de un controlador de flujo másico y medición precisa de la carga de gas en el recipiente cargado de agua desionizada. El sistema funciona en modos de volumen constante, con la válvula de entrada cerrada al alcanzar la presión deseada (~ 90 bar), y la presión se registra digitalmente cada segundo durante la duración del experimento. Un sistema de control de temperatura opera en una chaqueta alrededor del recipiente (mantenido a 20 ° C). Se introdujo un suministro de corriente eléctrica de 60 V CC a través de cables cubiertos con una funda (evitando el contacto directo entre el cable y el agua) en un plástico impreso en tres dimensiones (B), soporte montado horizontalmente sumergido en agua. (Crédito de la foto:Mohammad Reza Ghaani.) Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz0094
Las nanoburbujas pueden existir en superficies sólidas o en líquidos a granel como dominios gaseosos nanoscópicos. El fenómeno ha atraído una atención sustancial debido a la (meta) estabilidad a largo plazo y el potencial de aplicaciones prácticas. En un nuevo informe, Mohammad Reza Ghaani y un equipo de investigadores en química e ingeniería de bioprocesos en Irlanda y Canadá utilizaron un enfoque novedoso para explorar la superficie de la formación de nanoburbujas electrostáticas (NB). Observaron la estabilidad de las construcciones aplicando campos eléctricos externos en sistemas gas-líquido para observar la absorción masiva de gas en el líquido en forma de nanoburbujas. Durante un período de tiempo que dura meses, la solubilidad del gas aumentó de 2,5 veces para el oxígeno a 30 veces para el metano, basado en los valores de la ley de Henry para la solubilidad en gas, es decir, cuanto más hidrofóbico es el gas, cuanto mayor sea la ingesta. Usando soluciones de dinámica molecular, Ghaani y col. reveló el origen del movimiento de NB como resultado de la dielectroforesis, mientras que la estabilidad sustancial de NB surgió de interacciones de polarización superficial. El trabajo ahora está publicado en Avances de la ciencia .
Las nanoburbujas son formas gaseosas nanoscópicas que pueden existir en superficies sólidas o en líquidos a granel. Los NB a granel pueden estar presentes en la mayoría de las soluciones acuosas debido a la agitación constante y la radiación cósmica, lo que atrae una atención significativa para aplicaciones en limpieza nanoscópica. para controlar el deslizamiento de límites en microfluidos, tratamiento de aguas residuales, heterocoagulación y medicina. Los científicos atribuyen la presencia prolongada de NB a la acumulación de carga negativa en la interfaz burbuja / líquido y a una fuerte afinidad electrónica en la superficie. Independientemente del diámetro del NB, la repulsión mutua entre los NB en el agua es lo suficientemente grande como para evitar la coalescencia y ralentizar el aumento de la flotabilidad. Los científicos pueden regular el tamaño de los RN en presencia de agentes tensioactivos y utilizar las burbujas recubiertas resultantes como agentes de contraste de ultrasonidos o para la administración de fármacos dirigida.
En este trabajo, Ghaani y col. Abordó los factores fundamentales que gobiernan el pH del NB, naturaleza sensible a campos iónicos y magnéticos, incluida la electrostática de superficie. Su objetivo era determinar si los campos eléctricos aplicados externamente podían manipular, dictar, controlar y mejorar la formación de NB. Si tales fuerzas externas tuvieran un efecto, investigaron su costo energético y las alteraciones electroinducidas. Cuando el equipo aplicó baja energía eléctrica, observaron una mejora masiva y rápida de la acomodación del gas NB metaestable en el agua. Los científicos investigaron si los primeros resultados del estudio para la generación de NB se produjeron en el líquido a granel o en la interfaz del líquido e identificaron que el fenómeno se debía a los NB a granel utilizando una herramienta de detección / diagnóstico de NB de sondeo a granel.
Captación de gas en función del tiempo. Los resultados se muestran para oxígeno (A) y metano (B) a 60 V (con una intensidad de campo promedio de 12 kV / m), expresado como un múltiplo de sus respectivos HLC (eje derecho) y en g / litro (eje izquierdo) a presiones de fondo predominantes de ~ 90 bar; se produjeron mesetas en menos de 3 horas. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz0094
El equipo inicialmente colocó agua desionizada en un recipiente a presión y alimentó gas puro a ~ 90 bar, cerró el recipiente y reguló la temperatura del sistema. Cuando la configuración alcanzó el nivel de solubilidad en gas de la ley de Henry en dos horas, activaron un campo eléctrico estático externo sostenido dentro del agua líquida utilizando una fuente de corriente continua (CC) de 60 V. Dentro de tres horas o menos, lograron una meseta de absorción de gas muy elevada en el agua y notaron un flujo de moléculas de gas que forman la fase gaseosa a granel en el líquido durante la formación de NB, haciendo que la presión caiga. Relativamente, la energía requerida para formar NB utilizando campos eléctricos era extremadamente baja y apuntaba a niveles extraordinariamente altos de eficiencia energética.
Por ejemplo, la energía requerida para formar NB fue igual a 0,3 W hora / m 3 ; mucho más bajo que en sistemas avanzados como las industrias de aguas residuales (~ 40 W hora / m 3 ). Es más, mientras que la aireación de las aguas residuales permitía típicamente entre 1 y 2 mg / litro de oxígeno disuelto, el equipo logró entre 25 y 35 mg / litro de oxígeno disuelto con NB que fueron metaestables durante meses. Usando dinámica molecular de no equilibrio (NEMD) Ghaani et al. luego exploró los mecanismos moleculares subyacentes detrás del sorprendente aumento de la acomodación del gas observado experimentalmente en el agua. Parecía que cuanto más hidrofóbico era el gas, cuanto más acentuado es el efecto del campo eléctrico para amplificar el enorme aumento de la capacidad para formar NB a granel. Los resultados también sugirieron que la formación de NB puede estar dominada cinéticamente.
Formación de NB y consecuente mejora de la estabilidad mediante la aplicación de campos eléctricos estáticos en NEMD. (A) Comenzando con moléculas de propano solvatadas individualmente en agua (arriba), la aplicación de campo conduce a la formación de NB:el panel inferior muestra NB dentro de 3 ns en un campo (1,5 V / nm). (B) Evolución del área de superficie accesible de la burbuja a moléculas de agua; el aumento de la estabilidad del NB es evidente:1,5 V / nm promueve fácilmente la formación de NB, con mayor superficie, estable durante más de 10 ns. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz0094
A continuación, el equipo ejecutó simulaciones NEMD (dinámica molecular de no equilibrio) para propano y metano en agua y observó resultados similares para ambos gases. Durante la simulación, Ghaani y col. aplicaron campos externos de mucha mayor intensidad que los utilizados para los experimentos para observar resultados creíbles con una relación señal-ruido mínima, para NEMD de más de un millón de átomos, que abarca decenas de nanosegundos. Los campos más intensos promovieron la formación de NB fácilmente con mayor área de superficie en la simulación.
Dado que la estabilidad de NB de larga duración es bien conocida, el equipo estudió la metaestabilidad de los RN después de la remoción del campo y la exposición a la presión ambiental. Para comprender si los NB se localizan en la superficie o se distribuyen a granel, el equipo utilizó dispersión de luz dispersiva (DLS) como método de sondeo a granel y detectó NB en todo el líquido a granel. Sin embargo, Los científicos también observaron burbujas de tamaño micro a macro inusualmente transitorias en la superficie de politetrafluoroetileno (PTFE) en el sistema que nace de la nucleación de burbujas a escala nanométrica a micrométrica después de aplicar un campo eléctrico. Ghaani y col. observó que las burbujas localizadas en exceso de oxígeno, agua / gas se desestabilizaban mecánicamente en seis horas, mientras que se produjo una pérdida limitada de burbujas masivas después de seis a 50 horas. Después de un período de cuatro meses, los NB restantes aumentaron de tamaño según lo medido con DLS (dispersión de luz dispersiva).
Detección de NB mediante dispersión de luz dinámica (Malvern Zetasizer Pro); esto utiliza fluctuaciones en la dispersión de la luz láser que viaja a través de la solución de muestra. Todas las mediciones se realizan después de 12 a 24 horas después de la despresurización y remoción del campo. La medición se repitió tres veces en tres muestras para una mejor precisión. También se midió una muestra de control con el mismo proceso experimental excepto en ausencia de campo. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz0094
De este modo, Mohammad Reza Ghaani y sus colegas observaron la primera evidencia en el estudio de formación de NB en masa con una mayor mejora para más gases hidrófobos. El descubrimiento tendrá un gran impacto en la fermentación, industrias de elaboración de cerveza y tratamiento de aguas residuales. El equipo propone un trabajo adicional para comprender los mecanismos detrás de la cinética de la generación de NB, así como la estabilización de NB a partir de entonces. El equipo de investigación detectó "líquidos nanoporosos" en este trabajo debido a la presencia de líquidos porosos o "agujereados" con gas NB de una manera sencilla y fácil.
NB evolución en ambiente, Condiciones STP después de la remoción del campo. (A) Pérdida de masa de régimen dual durante las primeras 50 horas después de la remoción en el campo y el almacenamiento en condiciones de temperatura / presión ambiente. (B) Evolución del diámetro medio de Sauter de burbujas de metano durante un período de 4 meses (tres réplicas para cada medición); Se observa un crecimiento de burbujas muy lento. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz0094
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