體相納米氣泡的消除與尺寸調控研究進展

張睿毅，陳嵐，葛廣路

1.中國科學院納米標準與檢測重點實驗室, 中國科學院納米科學卓越創新中心, 國家納米科學中心

2.中國科學院大學

體相納米氣泡特指直徑在1 μm以下的微細氣泡，其在常壓或密封的條件下可在體相溶液中穩定存在[1-3]。體相納米氣泡的發生方法主要包括電解法[4-5]、膜法[6-9]、空化法[10-11]、溶劑交換法[12-13]和周期壓力變化法[14]等。近年來，由于微細氣泡在廢水處理[15-18]、表面清潔[19-22]、泡沫浮選[23-25]、農業種植[26-29]、藥物輸送[30-32]等領域的廣泛應用，引起了工業界與學術界的共同關注。雖然體相納米氣泡已經得到了廣泛的應用，但對于氣泡的發生機理、獨特的物理化學性質及超常的穩定性機制等詳細機理解釋存在明顯的滯后[33]。其中，納米氣泡的尺寸效應是重要研究對象，其與納米氣泡性質的定量分析及具體應用直接相關[34]。而研究這些效應的前提是能夠精準調控體相納米氣泡的尺寸，發生尺寸可控的納米氣泡。由于天然產生的氣泡可能存在于任何溶液體系中，為便于對比研究，有時需要可控消減或完全去除體系中的氣泡，這被認為是目前研究體相納米氣泡的主要難點之一[35-36]。因此，筆者對近年來體相納米氣泡的氣泡消除技術與尺寸調控方法進行系統梳理，通過比較多種技術，對調控納米氣泡數量濃度及尺寸的有效方法進行分析總結，并提出思考與展望，以期為體相納米氣泡的應用提供參考。

1 體相納米氣泡的消除

體相納米氣泡的數量濃度調控甚至氣泡的完全消除對許多研究來說非常必要。完全消除氣泡的溶液可作為空白對比樣品，在排除納米顆粒的干擾、準確測量氣泡數量濃度和研究納米氣泡的物理化學性質中起到十分關鍵的作用。ISO 24261-2:2021《微細氣泡消除技術》[37]中列出了體相納米氣泡消除常用的幾種方法：超聲消減法、超速離心法、沸騰冷卻法及凍融去除法。基于氣泡消除效果和操作的難易程度，常用的氣泡消除方法主要為凍融去除法與超聲消減法。

1.1 凍融去除法

凍融去除法是將納米氣泡溶液在低溫下冷凍一段時間后解凍消除氣泡的方法。該過程中納米氣泡被不斷增長的冰晶擠壓移動和聚集，最終導致氣泡界面破裂，氣泡得以消除[10]。Nirmalkar等[10]首次采用了凍融的方法（-18 ℃冷凍24 h，室溫下解凍6 h）將體相納米氣泡的數量濃度降至極低的水平（圖1），驗證了原溶液中存在的是納米氣泡而非納米顆粒；同時，冷凍前與解凍后氣泡溶液的尺寸分布保持大致相同，說明信號的降低不是來源于納米顆粒的聚集而是氣泡數量的減少。Li等[38-39]也通過凍融試驗證明了體相納米氣泡的產生而非納米顆粒的影響。然而，凍融技術對表面活性劑包覆的體相納米氣泡卻未表現出良好的消除效果。Nirmalkar等[10]將表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）加入到純水中制備出的納米氣泡懸浮液，在凍融后氣泡數量濃度幾乎不變，表面活性劑分子被認為能為納米氣泡提供對抗凍融影響的屏蔽作用。不僅如此，快速冷凍技術甚至可以用作表面活性劑包覆的體相納米氣泡的有效保存手段。Nittayacharn等[40]采取了在液氮中閃凍的技術保存包膜納米氣泡，28 d后納米氣泡的濃度甚至超過了原溶液濃度的37.8%。凍融去除法對無包膜納米氣泡而言是一種潔凈、高效、簡便的去除方法，但對于表面活性劑包覆的納米氣泡的消除效果較差。

圖1 凍融前后納米氣泡數量濃度的變化[10]Fig.1 Change of number concentration of the nanobubbles before and after freezing and thawing

1.2 超聲消減法

超聲消減法是利用超聲作用引起體相納米氣泡的聚并、上浮和破裂，從而達到消除納米氣泡的效果。根據超聲裝置與氣泡溶液的接觸方式可以分為直接超聲處理和間接超聲處理。Yasuda等[41]對高濃度氣泡溶液進行了直接超聲處理〔圖2(a）〕，結果表明：利用超聲輻照納米氣泡溶液，隨著超聲時間、頻率和超聲功率的增加，納米氣泡的數量濃度顯著降低；但在氣泡數量濃度減小的同時，氣核也在超聲波的輻照下生長成為納米氣泡，因此在整體過程中，納米氣泡的發生和消除是同時發生的。

圖2 納米氣泡的超聲消減Fig.2 Ultrasonic elimination of nanobubbles

直接超聲處理除了存在污染液體的情況外，還會引入新的納米氣泡，因此Tanaka等[42]采用間接超聲處理來破壞水中納米氣泡的穩定性〔圖2(b)〕。結果表明，經過30 min的間接超聲處理，納米氣泡的數量濃度降低了90%；間接超聲5 min后，對于非離子表面活性劑（聚乙二醇十六烷基醚）包覆的納米氣泡能達到80%的消除率；通過測量超聲處理后氣泡溶液的zeta電位和pH，發現超聲輻照會使納米氣泡溶液酸化并使zeta電位絕對值降低，進而導致納米氣泡發生聚并、上浮和破裂現象。

超聲消減法除了對無包膜納米氣泡具有良好的消除效果外，對表面活性劑包覆的納米氣泡依然具有較高的消除率，這大大擴展了超聲消除法在降低體相納米氣泡數量濃度與氣泡消除中的應用。但超聲技術不可避免地會升高體系的溫度，這對納米氣泡的穩定性及超聲波在樣品中的傳播造成了影響[42]。因此，在未來利用超聲技術調控體相納米氣泡數量濃度時需要進行精確的溫度控制，如進行恒溫水浴或制冷等。

目前對體相納米氣泡的消除方法的研究仍較少，消除原理都是利用對納米氣泡穩定性的破壞，如改變溶液pH和zeta電位或對氣泡進行物理聚集，降低納米氣泡的熱力學穩定性。未來可以根據改變納米氣泡內壓、界面電位等物理化學性質，來破壞納米氣泡穩定性，進一步發展納米氣泡的消除技術，如改變離子濃度破壞氣泡界面的雙電層穩定性[43-44]等。

2 體相納米氣泡的尺寸調控

為了研究納米氣泡的物理化學性質，尤其是與尺寸相關的效應，需要定量改變納米氣泡的尺寸。比較已有研究可知，由于納米氣泡的發生具有一定的隨機性，不同的發生裝置初始發生的氣泡尺寸差別很大，無法直接進行對比。為了調控氣泡的尺寸，需要對體相納米氣泡的發生介質、發生時間、發生手段等工況及工藝過程進行優化與改進，或者進行尺寸的二次調控。目前，常見的體相納米氣泡尺寸調控手段主要可以分為氣泡發生階段的原位一次調控與發生后的二次調控。常見的尺寸調控方法包括循環均化法、微流控技術和膜技術等。

2.1 循環均化法

體相納米氣泡的尺寸分布隨發生時間延長而變化，這在氣泡發生工藝中是比較常見的現象。隨著納米氣泡分散液的不斷循環及氣體的不斷吸入，較大尺寸的納米氣泡由于不穩定，出現生長、聚并和破裂現象，因此體相納米氣泡的尺寸分布向小尺寸方向移動并且變得更均勻。Michailidi等[45]采用流體動力空化法分別產生了430～850 nm的空氣納米氣泡和350～650 nm的氧氣納米氣泡，發現氣泡平均尺寸隨著發生時間的延長而減小。這種循環時間依賴的尺寸分布變化存在一個飽和（臨界）濃度，對應的時間稱之為臨界時間，當系統進入飽和狀態后，繼續增加循環時間，氣泡數量濃度與尺寸不再改變。臨界時間取決于發生器部件的幾何特性，例如孔道開口尺寸、表面粗糙度、有效表面積、逆流長度、流體壓力等。Gao等[46]研究發現，較大的微氣泡比較小的微氣泡更不穩定，在重力的作用下，大的微氣泡數量濃度隨時間減小得更快。另外，隨著重復空化循環的增加，氣泡的數量濃度也隨之增加，可能的原因是溶解空氣含量和氣核的增多。

Li等[38]在自主研發的文丘里型水動力空化裝置（圖3）中，通過納米氣泡分散液的反復循環使發生出的體相納米氣泡尺寸分布減小。隨著循環時間從5 min增至20 min，納米氣泡的尺寸分布峰值從333 nm/122 nm降到218 nm/52 nm（雙峰分布）。這是因為隨著循環時間的延長，能量輸入引起氧飽和水的水動力空化頻率升高，從而更容易發生空化成核并形成更小的納米氣泡。Zhang等[39]也在采用加壓減壓法原理的商用氣泡發生器中發現了這一現象，氣泡發生循環20 min后，體相納米氣泡的平均尺寸從480 nm減至300 nm，這可能得益于循環過程中大氣泡聚并、上浮或者破裂。

圖3 文丘里型水動力空化裝置中通過循環使納米氣泡尺寸均化[38]Fig.3 The size homogenization of the nanobubbles by circulation through Venturi-type hydrodynamic cavitation device

通過控制氣泡發生的循環時間來調控體相納米氣泡是一種簡便、有效的原位一次氣泡尺寸調控方法。通過多次反復循環后，不僅可以縮小納米氣泡的尺寸分布，還可以增加納米氣泡的數量濃度。但該方法目前只能做到單向調控。由于納米氣泡的發生具有隨機性，因此尺寸調控的可重復性還有待進一步提高。但該方法對于研究納米氣泡的尺寸效應[39]仍是一種有效手段。

2.2 微流控技術

微流體在許多學科中得到了廣泛的應用，與大批量制備技術相比，該技術所需反應物液體體積小，反應時間縮短并減少了試劑的消耗[47]。相較于常用的大批量納米氣泡發生手段，微流控技術是一種精細發生納米氣泡的新技術，具有粒徑可控、分布窄、穩定性好等優點，常被用于發生聚合物包覆的納米氣泡，目前已經在生產超聲造影劑、載藥脂質體等方面得到了應用。

Xu等[36]將水溶性氮氣和不溶性八氟丙烷作為氣相的雙組分氣體，通過微流控氣泡發生器直接制備出單分散納米氣泡，發現由于氣體混合物中水溶性成分的溶解，納米氣泡的直徑縮小到約100 nm。Abou-Saleh等[47]開發出稱之為Horizon的微細氣泡發生器，可發生特定尺寸的單分散微細氣泡用于開展臨床應用與研究（圖4）。Song等[48]采用微流控流動聚焦方法發生了以聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）作為聚合物包膜的單分散微泡。PLGA包膜微氣泡的尺寸可在600～7 000 nm內調控，尺寸分布的變異系數小于4%。

圖4 通過微流控技術發生納米氣泡示意[47]Fig.4 Schematic for the nanobubbles generated by microfluidic technology

微流控技術在精確控制納米氣泡尺寸的同時，保證了發生的體相納米氣泡的單分散性。相較于其他納米氣泡原位尺寸控制發生技術，微流控技術發生的納米氣泡單分散性更好。但目前利用微流控技術發生尺寸可控氣泡仍處于起步階段，發生的氣泡尺寸多處于微米級別。同時微流控技術操作難度大，調整氣泡尺寸需要精準調控孔板大小、氣體流量及氣液界面張力，目前多用于生產表面包膜的功能性納米氣泡，而在大規模生產尺寸可控的無包膜納米氣泡方面還需要進一步研究。但總體而言，通過微流控技術發生的微氣泡可以在較寬尺寸范圍內進行調控，并具有高度單分散性，在醫學研究中具有廣泛的應用前景。

2.3 膜技術

多孔膜技術是目前最常用的體相納米氣泡尺寸調控手段之一，既可用于氣泡的原位一次發生，也可用于氣泡發生后的離位二次調控。體相納米氣泡可由注入氣體通過浸沒于溶液中的不同孔徑的膜產生。外部加壓氣流被迫通過多孔膜，后經過特別設計的噴嘴系統進行釋放，形成納米氣泡核〔圖 5（a）〕[6]。多孔膜納米氣泡發生器通常由加壓罐、氣壓調節器、氣體流量計及多孔膜組成，能夠在較短時間內發生大量尺寸可控的體相納米氣泡，是一種較為成熟的大批量發生尺寸可控納米氣泡的工具。根據Ahmed等[7]的研究，通過膜技術發生納米氣泡的過程近似圖5（b）。納米氣泡的直徑受到了膜孔徑、親疏水性與界面能的影響，可通過楊氏方程[7]描述。固-氣界面能（γSV），固-液界面能（γSL）和液-氣界面能（γLV）與納米氣泡平衡接觸角之間的關系如下：

圖5 使用多孔膜發生納米氣泡及孔尺寸對氣泡粒徑的影響Fig.5 Generation of nanobubbles using porous membranes and the influence of the pore size on the nanobubbles size

式中θ為納米氣泡平衡接觸角。

納米氣泡半徑（a）可表示為：

式中D為膜孔徑，nm。

因此，通過合理設計膜孔徑大小、氣泡與膜表面接觸角大小及曝氣流量，可以較為準確地調控納米氣泡的尺寸。例如，通過表面修飾硬脂酸疏水涂層增大θ，使發生的納米氣泡尺寸縮小[7]。

目前常見的納米氣泡一次生成膜技術通常采用陶瓷膜（多孔玻璃、多孔陶瓷管、多孔氧化鋁等）作為膜材料，其在具有良好強度的同時也避免了額外的污染。Kukizaki等[6]在十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液中使用平均孔徑為43～85 nm的Shirasu多孔玻璃膜（SPG膜）發生了平均直徑為360～720 nm的納米氣泡，氣泡的平均直徑為膜平均孔徑的8.6倍，證明了納米氣泡的直徑可以通過膜孔徑來調控。Ulatowski等[8]采用孔徑為200 nm的多孔碳化硅可發生尺寸約為400 nm的氮氣納米氣泡和160～250 nm的氧氣納米氣泡。值得注意的是，通過膜技術發生的體相納米氣泡尺寸大多大于膜孔的直徑，這是因為此方法中納米氣泡θ小于90°。

此外，多孔氧化鋁膜也被用于發生固定尺寸的體相納米氣泡。Ma等[9]采用具有約100 nm孔徑的多孔氧化鋁膜發生出最小尺寸小于100 nm的體相納米氣泡，氣泡尺寸與多孔膜的尺寸相當。同時也存在大于孔徑尺寸的納米氣泡，且呈現出多峰分布（圖6）。納米氣泡尺寸呈現出以比例增長的趨勢，因此大氣泡的產生被認為是2個相同尺寸的納米氣泡發生聚并造成的。

圖6 使用多孔氧化鋁生成體相納米氣泡的示意及氣泡尺寸分布[9]Fig.6 Schematic for the bulk nanobubbles generated by porous alumina and their bubble size distributions

除了直接發生納米氣泡外，膜過濾技術還被用作納米氣泡尺寸的二次調控手段。如Zhang等[49]采用商業多孔濾膜成功對初次發生的寬分布體相納米氣泡進行精細的尺寸二次調控，發現通過注射泵將發生的納米氣泡溶液以不同注射速率通過濾膜，可以將氣泡尺寸分布的最大值縮小到濾膜的孔徑。低過濾速率下尺寸分級效果較差，原因是納米氣泡具有一定變形性。因此要實現氣泡尺寸二次分級的理想效果需要達到一定的過濾速率，如20 mL/min。

膜技術是目前應用較為廣泛的一種體相納米氣泡發生尺寸初級調控技術。由于采用多孔膜直接發生納米氣泡的尺寸遠大于膜的孔徑且較難控制，因此基于多孔膜尺寸的二次調控方法也隨之發展起來。由于多孔膜具有良好的尺寸限制作用，已在納米顆粒篩分中廣泛應用。相較于納米顆粒，納米氣泡具有彌散可變形的界面和較大的內壓，因此其篩分機制更為復雜，需要進一步的研究。

3 技術比選與展望

目前體相納米氣泡與尺寸相關的物理化學效應已經引起學術界的高度重視，對納米氣泡尺寸的單分散性也有了更高的要求。針對大批量、尺寸可控體相納米氣泡的發生，及納米氣泡群體物理化學性質的研究，通過改變發生循環時間對氣泡尺寸進行調節的方法雖較為粗糙但簡單易行；采用膜技術發生納米氣泡需配備特定的氣泡發生器，但氣泡尺寸較易控制。對于單分散要求高，表面包覆功能性膜的納米氣泡的發生，則更適合使用微流控技術。體相納米氣泡的尺寸調控主要受制于儀器、技術原理、工藝過程和工況，因此如何精細調控納米氣泡成核或對氣泡生長過程的傳質進行實時控制，可能是未來精確調控納米氣泡尺寸的研究方向。

根據調控與氣泡發生的關系，納米氣泡的尺寸調控和數量濃度調控（包括氣泡消除）方法可分為原位的一次調控及二次調控（表1）。此外，按照可調控性、設備依賴性、工藝難易度、可拓展性及調控成本對納米氣泡的尺寸和數量濃度調控方法進行了綜合評估，結果如圖7所示。綜合而言，微流控技術具有最優的尺寸可調控性，但高設備依賴性和高成本及無法大批量生產的特點限制了其應用，對功能性納米氣泡的可控發生使其在醫學研究中仍具有較大的發展空間。膜技術由于具有成本低、工藝簡單、設備依賴度低等優勢，可能會成為未來納米氣泡尺寸調控的重要手段，但需進一步提高尺寸可調控性，尤其是二次調控方法。而目前的體相納米氣泡的數量濃度調控技術雖工藝簡單且成本較低，但均無法實現氣泡數量濃度的精確控制，且大部分技術僅能實現對數量濃度的單向調控。因此，亟待發展納米氣泡數量濃度的精準調控技術。

圖7 納米氣泡的尺寸調控與數量濃度調控技術綜合評估結果Fig.7 Comprehensive evaluation results on the size and concentration control methods for bulk nanobubbles.

表1 體相納米氣泡尺寸和數量濃度調控方法分類Table 1 Classification of bulk nanobubbles size and number concentration control methods

4 結語

體相納米氣泡可視為一種特殊膠體體系，已廣泛應用于工業、農業和環境治理中。然而，由于發生器的結構、工況及溶液環境的不同，發生納米氣泡過程中尺寸的調控及復現性比較差，從而為定量研究納米氣泡的尺寸相關的物理、化學及生物醫學效應增加了難度。筆者就近年來體相納米氣泡的數量濃度及尺寸調控技術的發展與現狀進行了分析和總結，主要分析對比了循環均化法、微流控技術和膜技術等尺寸調控方法與凍融去除法、超聲消減法等數量濃度調控方法的優劣，并對各技術的調控效果進行了綜合評估，為定量研究體相納米氣泡的尺寸及數量濃度相關的性質提供了依據。

在未來的研究中，對納米氣泡尺寸和濃度等基礎參量的要求會越來越精細，而目前的調控技術還遠不能滿足需要，尤其是納米氣泡的數量濃度調控。此外，對氣泡成核、生長過程的機理和認識也亟待完善，而通過對納米氣泡成核、氣體的傳質過程的精準調控，可以有效減小納米氣泡尺寸和數量濃度的隨機性，為機理研究提供重要基礎。