关于表面张力降低的机理见解：纳米气泡的潜在贡献

《Journal of Molecular Liquids》：Mechanistic insights into surface tension reduction: The potential contribution of nanobubbles

纳米气泡生成与表面张力降低机制研究。通过扩散限制吸附模型和动态界面张力分析，发现纳米气泡浓度（C_NB）和直径（D_NB）与表面张力降低量呈线性负相关。实验采用加盐和压力振荡协同法生成纳米气泡，利用AFM和NTA证实其存在及尺寸分布。研究表明，带电纳米气泡通过吸附于液面及静电作用削弱氢键网络，导致表面张力骤降。结论指出超声处理可减少纳米气泡数量，且表面电位差异影响其稳定性。

　　本研究聚焦于纳米气泡（Nanobubbles, NBs）在盐析过程中对液体表面张力的影响，以及纳米气泡的生成机制与稳定性。纳米气泡作为一种特殊的气相结构，其存在形式和物理特性在不同条件下表现出显著的变化。近年来，随着对纳米气泡研究的深入，其在多个领域的应用逐渐显现，如水处理、药物制造、凝聚、食品工业、矿物加工、农业和二氧化碳利用等。然而，关于纳米气泡是否能够降低液体表面张力的问题，至今仍未有明确的结论，仍属于纯粹的假设性研究。

纳米气泡通常被认为是通过压缩-解压技术或盐析效应生成的。在盐析效应中，当盐被加入溶液时，溶解气体的溶解度会降低，从而导致气体过饱和，最终以纳米气泡的形式释放出来。这种现象在实验中被广泛观察到，尤其是在含有单价、双价和三价盐的溶液中。此外，实验中还引入了振荡压力场，以进一步探究其对纳米气泡生成和表面张力变化的影响。通过这种方式，研究人员发现纳米气泡不仅能够形成，而且在特定条件下表现出较高的稳定性。

在研究过程中，纳米气泡的物理特性被通过多种方法进行分析。例如，使用原子力显微镜（AFM）图像来观察纳米气泡的形态，发现其直径与通过纳米粒子追踪分析（NTA）测得的平均尺寸基本一致。此外，动态光散射（DLS）技术被用来测量纳米气泡的ζ电位，而米氏散射理论则用于估算纳米气泡的折射率（RI）。这些方法共同为研究纳米气泡的物理行为提供了坚实的实验基础。

研究还发现，纳米气泡的存在能够显著降低液体的表面张力。这一现象在实验中被多次验证，特别是在含有纳米气泡的水溶液中，其表面张力明显低于纯水。然而，随着静置时间的增加，表面张力会逐渐回升，但仍低于纯水的表面张力值（72.8 mN/m）。这种表面张力的变化被认为是由于纳米气泡在液-气界面的吸附作用，其部分表面被疏水性物质覆盖，从而削弱了水分子之间的氢键网络，降低了界面的内聚能量密度。

此外，研究还探讨了非离子型表面活性剂对纳米气泡稳定性的影响。非离子型表面活性剂分子倾向于吸附在纳米气泡表面，从而减少了可用于液-气界面吸附的自由表面活性剂分子数量。这导致在高浓度表面活性剂溶液中，界面稳定性的有效分子数量减少，进而使表面张力升高。相比之下，阴离子型表面活性剂（如十二烷基苯磺酸钠盐）由于其与纳米气泡电双层之间的相互作用，能够降低表面张力。这种现象的机制被认为是纳米气泡表面电荷的积累，以及其对界面能量的调节作用。

在探讨纳米气泡稳定性时，研究还考虑了不同条件下的影响因素。例如，pH值的变化和离子强度的调节对纳米气泡的稳定性具有重要影响。Ma等人在不同pH条件下发现，纳米气泡在碱性溶液中表现出更高的稳定性。这一结果可以通过经典德杰阿金-兰道-弗莱-奥弗比克（DLVO）理论进行解释，该理论表明，在高离子强度条件下，纳米气泡的稳定性会受到离子排斥力的调制。然而，研究也指出，纳米气泡的稳定性主要取决于其表面电荷的积累，而非单纯的表面张力降低。

研究进一步分析了超声波对纳米气泡浓度和表面电位的影响。超声波能够通过诱导纳米气泡的合并来减少其数量密度（BND），从而降低表面张力的变化。同时，超声波场还可能改变纳米气泡的表面电位，使其在不同条件下表现出不同的电荷分布。这一现象的机制可能与纳米气泡的吸附行为和表面电荷的动态变化有关。

通过上述研究，科学家们发现纳米气泡在盐析过程中对液体表面张力的影响具有显著的非线性特征。在低盐浓度范围内，表面张力的变化可能与纳米气泡的吸附行为和表面电荷的积累密切相关。而在高盐浓度条件下，纳米气泡的稳定性可能受到离子排斥力的影响，导致其数量减少，从而影响表面张力的变化趋势。这些发现为理解纳米气泡在液体界面行为提供了新的视角，并为相关领域的应用提供了理论支持。

此外，研究还探讨了纳米气泡在不同条件下的生成机制。例如，通过盐析效应生成的纳米气泡可能与振荡压力场生成的纳米气泡在形态和稳定性上存在差异。在实验中，研究人员发现，通过振荡压力场生成的纳米气泡具有更显著的负表面电位，而其电荷密度较高，可能在界面处产生更强的吸附效应。相比之下，盐析效应生成的纳米气泡可能在界面处表现出较低的电荷密度，但其稳定性较高，能够在较长的时间内保持不破裂的状态。

综上所述，纳米气泡在液体界面行为中的研究涉及多个复杂的物理和化学过程。其生成机制、稳定性以及对表面张力的影响均受到多种因素的调制，包括盐浓度、压力场、超声波处理和表面活性剂的存在。通过实验和理论分析，科学家们逐步揭示了纳米气泡在不同条件下的行为特征，为其在实际应用中的利用提供了重要的理论依据。这些研究不仅有助于理解纳米气泡的基本物理性质，也为未来在水处理、环境保护、材料科学等领域的应用提供了新的思路。