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自由液膜上细菌的动力学研究

吴松  
【摘要】:表面活性剂可以降低相与相之间的界面能,促使不互溶的两相液体互混合形成稳定状态。除了常规的分子表面活性剂以外,人们发现固体颗粒在某些情况下也能起到稳定乳剂的作用。使用颗粒作为表面活性剂,可以避免向体系中引入额外的离子,同时在某些情况下颗粒甚至能表现出比常规表面活性剂更强的稳定效果。凭借其对乳剂和泡沫独特的稳定作用,固体颗粒被广泛应用于食品、化工和医药等领域。此外,在污水处理等工业生产环节中,细菌等微生物的存在使泡沫变得更为稳定,这意味着具有主动运动性的颗粒可能也会极大地影响液膜的稳定性。因此,为了丰富颗粒表面活性剂在生产生活中的应用,需要进一步探究活性颗粒稳定液膜的原理。本文通过实验和数值模拟相结合的方法,研究了细菌在自由液膜上的动力学特征。本文的具体研究内容如下:首先,本文实验研究了液膜蒸发过程中细菌的动力学特性。实验中使用平行金属丝拉动的方法,制备液膜并探究细菌的浓度和活性对细菌动力学的影响。实验中发现细菌溶液的初始浓度会极大地影响液膜形状和稳定性。在液膜蒸发的过程中,低细菌浓度的液膜表现出类似于纯水的蒸发和破裂特性,细菌随着液膜中心“酒窝”区域的扩展向外侧运动,产生细菌被排空的区域。当细菌浓度较高时,大量细菌在液膜中心形成单层阵列,细菌不随液膜厚度降低向外排空,因此液膜的稳定性得到极大增强。在高浓度细菌液膜蒸发的过程中,部分细菌还会在“酒窝”的边界处发生逆流,被主动吸附进“酒窝”区域,使得“酒窝”区域内颗粒在侧向毛细力的作用下更加稳定。其次,本文对液膜上细菌的受力状态进行了分析,并结合液膜的形状变化构建了数值模型,用以研究“酒窝”扩展过程中细菌在液膜上位置与时间的关系。模拟结果表明,液膜上的细菌会被主动吸附至与其尺寸相对应的厚度位置,而细菌初始位置的不同会导致细菌运动的差异。在模拟结果的基础上,本文解释了高低浓度细菌溶液表现出的不同运动特征。当液膜上细菌浓度较高时,中心区域的细菌运动速度较缓慢,容易被“酒窝”区域捕获。反之低浓度细菌液膜中细菌分布分散且运动速度较快,只会发生排空现象。由此可知,液膜蒸发过程中细菌是否发生排空除了受细菌浓度影响外,还依赖于颗粒自身尺寸以及细菌位置和“酒窝”扩展速度的关系。


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