空气超微气泡/纳米气泡诱导碳酸钙形貌改变并加速其在柠檬酸溶液中的溶解

本研究针对工业水系统中普遍存在的CaCO3 水垢问题，创新性地将空气纳米气泡(ANBs)与柠檬酸(CA)溶液联用，通过SEM、XRD、MIP等技术证实ANBs可使CaCO3 晶体尺寸减小59%、孔隙率提升42%，溶解速率提高123%，为环保型除垢技术开发提供了新思路。

　　

在工业水系统和家用电器中，碳酸钙(CaCO₃
)水垢的形成是一个长期存在的棘手问题。这些坚硬的水垢会堵塞管道、降低热交换效率，并显著增加能源消耗。传统除垢方法依赖强酸或含磷化学品，虽然有效但存在腐蚀设备和环境污染的风险。相比之下，柠檬酸(CA)作为天然有机酸虽更环保，但其除垢效率较低，通常需要配合超声波等辅助手段。与此同时，纳米气泡(NBs)技术因其独特的物理化学性质，在多个领域展现出应用潜力，但其在固体溶解增强方面的作用机制尚不明确。

针对这一科学问题，日本Rinnai公司的研究人员在《Journal of Water Process Engineering》发表了一项创新研究。他们系统探究了空气纳米气泡(ANBs)对CaCO₃
水垢形成及其在柠檬酸溶液中溶解行为的影响。研究团队采用实际水加热器系统生成水垢样本，通过扫描电镜(SEM)观察形貌、X射线衍射(XRD)分析晶相、汞孔隙率测定(MIP)表征微观结构，并结合溶解动力学实验，揭示了ANBs通过改变CaCO₃
晶体形貌和孔隙结构来加速溶解的机制。

关键技术方法包括：(1)使用配备ANBs发生器的商用热水器生成CaCO₃
水垢；(2)通过SEM和XRD分析水垢的形貌和晶相；(3)采用MIP测定比表面积和孔隙分布；(4)设计超声辅助的CA溶液溶解实验，通过图像分析定量溶解速率。

研究结果部分：

1. 形貌与晶相分析
   SEM图像显示ANBs使CaCO₃
   晶体尺寸显著减小，形状更不规则。XRD证实ANBs不改变CaCO₃
   的晶相组成(主要为文石相)，说明其作用限于物理形貌调控而非化学结构改变。

2. 微观结构表征
   MIP测量显示ANBs使CaCO₃
   比表面积从0.79增至1.26 m²
   /g，总孔体积从0.038提升至0.054 cc/g。特别值得注意的是，100-1000 nm范围的孔隙占比显著增加，这与ANBs自身尺寸(平均125 nm)高度吻合，暗示ANBs可能作为"模板"引导孔隙形成。

3. 溶解动力学
   溶解实验表明，含ANBs生成的CaCO₃
   水垢在CA溶液中的溶解时间缩短23%。基于改进的Nernst-Brunner模型计算显示，ANBs使溶解速率常数κ在不同阶段提高1.14-1.64倍，这种加速效应随溶解时间延长而增强。

结论与讨论：
该研究首次证实ANBs可通过双重机制加速CaCO₃
溶解：(1)增加比表面积提供更多反应位点；(2)形成贯通孔隙促进CA溶液渗透和传质。特别有价值的是，ANBs诱导形成的100-1000 nm孔隙网络与超声波产生的微流协同作用，显著提升了CA的螯合效率。这一发现为开发环保型除垢技术提供了新思路——通过物理方法(ANBs)调控水垢形貌，而非依赖强酸或有害化学品。

从应用角度看，ANBs-CA联用技术在保持环境友好特性的同时，其溶解效率已接近某些强酸水平，且无需特殊安全防护。该方法可广泛应用于锅炉、热交换器等工业设备，以及热水器等家用电器的维护。未来研究可探索ANBs与其他有机酸或EDTA的协同效应，并进一步阐明ANBs影响晶体生长的分子机制。这项研究不仅为解决实际工程问题提供了创新方案，也为纳米气泡在材料科学中的应用开辟了新方向。