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《中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)》 2019年
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基于超声空化的纳米气泡产生方法与性质研究

莫宸冉  
【摘要】:体相纳米气泡有着丰富而又独特的理化性质,因此在过去很多年间成为了热门的研究领域。但是相较于界面纳米气泡可以直接使用AFM(Atomic Force Microscopy)观测并获得力曲线等一系列数据来证明它们是由气体组成等直接的证明方法,体相纳米气泡的存在一直还没有决定性的证据,这使得体相纳米气泡和其相关的实验一直备受质疑和批评。另外一个问题是直至今日,科研人员仍不能对于体相纳米气泡形成以及稳定性的机理给出一个合理且令人信服的解释。由于受到Epstein和Plesset的理论的影响,科研人员对体相纳米气泡长时间的稳定存在表示怀疑,他们认为体相纳米气泡是实验观测到的其他纳米颗粒。尽管如此,纳米气泡在很多领域已经展现出了它的应用潜力:地表水和污水处理、泡沫浮选、矿渣脱水等。所以体相纳米气泡的基础研究对于它的应用和气体分子在纳米尺度上的一些微观研究有着非常重要的意义。在纳米气泡研究领域中,纳米气泡的发生方法尤其重要,因为大部分质疑的观点都和纳米气泡产生过程中与污染物的联系紧密相关,如何去清洁而又有效的产生体相纳米气泡?所以我们将目光放在了在溶液中超声波独特的空化性质上。本论文中,我们利用超声空化这一物理现象去产生体相纳米气泡,并对这种方法本身和它产生的纳米气泡进行了全面而又详细的研究。我们的理论认为超声波在水中引起了不断的震动,正压和负压随着声波的传递不断在溶液中交替出现,在这种环境下,空化现象产生的空化核在有溶解气体的存在下,便形成了体相纳米气泡。本论文中使用的是“Nanosight”,一种特殊的搭载了纳米颗粒追踪系统的动态光散射装置,用来观测水中的纳米气泡的浓度、粒径大小以及分布。论文的主要结论如下:首先证明通过超声处理产生的纳米颗粒是纳米气泡,我们将超声处理后溶液中的纳米颗粒的数量和超声前以及做脱气对照后的纳米颗粒的数量进行对比,发现超声后的浓度远远高于其余两者,证明了产生的纳米颗粒基本就是体相纳米气泡。随后为了将体相纳米气泡与可能的挥发性纳米油滴进行区分,我们特意增加了超声处理前后溶解氧含量的对照试验,结果表明超声处理后水中的溶解氧含量下降了,间接的排除了挥发性纳米颗粒的可能性。同时我们还发现,此方法产生的纳米气泡在水中的分布较为均匀,因此采样位点对于实验结果并无显著影响。第二部分我们探究纳米气泡相关的性质。随着超声处理时间变长,纳米气泡的浓度首先达到最大值随后逐渐变小,纳米气泡的粒径则一直缓慢的增大。通过对于纳米气泡粒径分布的分析,我们发现此方法产生的纳米气泡粒径是在一个特定的粒径范围内的。最后我们研究了纳米气泡的稳定性,发现其浓度能在一段时间内保持稳定。最后一部分我们在不同的溶液中验证了超声法产生纳米气泡的可行性,证明此方法的普适性,并给出了本实验中纳米气泡形成以及稳定的简要解释。本文不仅建立了一种新的纳米气泡的产生方法,更重要的是,通过对其性质的研究,我们可以预想到此方法会有更加广阔的应用前景。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB383.1

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