CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
自然现象启发下的纳米气泡制备及其应用
方舟
Subtype博士
Thesis Advisor胡钧
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword纳米气泡 纳米粒子示踪分析 接触角 喷淋除尘
Abstract表面与界面科学是最近数十年兴起的一门涉及材料科学、凝聚态物理、有机大分子等领域的学科。科学家们在研究诸多涉及物质的问题时,往往将其假设为无限延伸且连续的材料以在计算中进行大量简化,得到一个简单的数值解。然而,这种逻辑并不适用于戛然截断的两相甚至三相物质的交界处。在这些表面与界面位置,材料的性质总是与常规性质和理论有很大的差异。水中的气泡,尤其是尺度在纳米量级的气泡就更是如此。自2000年第一次直接观测至今,纳米气泡以其独特的物化性质吸引了众多科研工作者的极大兴趣。纳米气泡的存在,与现今物理学中适用的数个经典理论相违背。根据拉普拉斯方程,尺度在纳米范围的气泡内部压强可达数百万甚至数千万帕斯卡,如此巨大的数值足以令其在数毫秒内溶解;另外根据杨氏方程,水中纳米气泡与各种疏水或亲水表面的接触角均大于宏观水的接触角数十度(水侧),这些难以解释的现象自然而然地招致大量的质疑。同时,由于检测手段的缺乏,目前对于纳米气泡的检测往往陷于外部形貌与内部信息二者不可得兼的窘境之中,这又导致面对非议时难以直接回击。不过,尽管基础研究进步缓慢,纳米气泡在实际应用方面却百花齐放,表面清洁、动植物养殖、医学影像、矿物浮选等领域都展现了纳米气泡的神奇魅力。纳米气泡在应用中出色的表现进一步推动着纳米气泡制备方法的发展和对其基本性质的深入探索。本论文从自然界水体中出现的诸多反常现象出发,分别发展了通过振荡和减压流程产生纳米气泡的制备方法,并研究了随着实验参数变化时纳米气泡的性质变化。一方面有利于解释自然界水体中诸多反常现象,另一方面也为解释纳米气泡的稳定机理提供了重要的实验依据。最后,初步探索了纳米气泡在除尘方面的应用。本论文主要的进展包括三部分。首先从海洋学中声波探测器检测到的异常现象入手,将海洋学家公认的海浪破碎波这一“罪魁祸首”提取成振荡行为,而振荡也是科研中混合溶液经常使用的方法。通过纳米粒子示踪分析对产生的纳米气泡尺寸和浓度进行的测量,实验发现振荡可以确实地生成纳米气泡,并且其形成取决于振荡时间和频率。这一方法操作简便、无污染,且稳定性良好,也由此可以推测,时常发生振荡行为的江河湖海中可能存在稳定的体相纳米气泡。同时提醒我们,实验中对溶液进行振荡也可能产生纳米气泡,从而对后续实验造成不可忽视的影响。其次,考虑到自然界中除振荡之外,还有一种常见的现象——即压力变化。本论文同样研究了减压法能否与前一部分类似地促进纳米气泡的生成。利用适当减压法,基于亨利定律,在不饱和水溶液中制备出了表面纳米气泡以及体相纳米气泡。实验结果还表明纳米气泡的粒径随减压时间的延长而增大。该方法效率较高且适用于各种容器及表面,有利于后续的性质及应用探究。最后,利用减压法制备的纳米气泡,探究了含有纳米气泡的水滴对疏水表面润湿性的影响,发现纳米气泡的存在会促使液滴更容易浸润疏水界面,并将其推广至喷淋除尘系统之中。在研究了不同性质灰尘颗粒的去除效果后,发现纳米气泡溶液对疏水性污染颗粒有着良好的去除效果,尝试对现行的高压喷淋提出改进方案,以推广纳米气泡的应用范围。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32467
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Recommended Citation
GB/T 7714
方舟. 自然现象启发下的纳米气泡制备及其应用[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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