体相纳米气泡的消除与尺寸调控研究进展

张睿毅，陈岚，葛广路

1.中国科学院纳米标准与检测重点实验室, 中国科学院纳米科学卓越创新中心, 国家纳米科学中心

2.中国科学院大学

体相纳米气泡特指直径在1 μm以下的微细气泡，其在常压或密封的条件下可在体相溶液中稳定存在[1-3]。体相纳米气泡的发生方法主要包括电解法[4-5]、膜法[6-9]、空化法[10-11]、溶剂交换法[12-13]和周期压力变化法[14]等。近年来，由于微细气泡在废水处理[15-18]、表面清洁[19-22]、泡沫浮选[23-25]、农业种植[26-29]、药物输送[30-32]等领域的广泛应用，引起了工业界与学术界的共同关注。虽然体相纳米气泡已经得到了广泛的应用，但对于气泡的发生机理、独特的物理化学性质及超常的稳定性机制等详细机理解释存在明显的滞后[33]。其中，纳米气泡的尺寸效应是重要研究对象，其与纳米气泡性质的定量分析及具体应用直接相关[34]。而研究这些效应的前提是能够精准调控体相纳米气泡的尺寸，发生尺寸可控的纳米气泡。由于天然产生的气泡可能存在于任何溶液体系中，为便于对比研究，有时需要可控消减或完全去除体系中的气泡，这被认为是目前研究体相纳米气泡的主要难点之一[35-36]。因此，笔者对近年来体相纳米气泡的气泡消除技术与尺寸调控方法进行系统梳理，通过比较多种技术，对调控纳米气泡数量浓度及尺寸的有效方法进行分析总结，并提出思考与展望，以期为体相纳米气泡的应用提供参考。

1 体相纳米气泡的消除

体相纳米气泡的数量浓度调控甚至气泡的完全消除对许多研究来说非常必要。完全消除气泡的溶液可作为空白对比样品，在排除纳米颗粒的干扰、准确测量气泡数量浓度和研究纳米气泡的物理化学性质中起到十分关键的作用。ISO 24261-2:2021《微细气泡消除技术》[37]中列出了体相纳米气泡消除常用的几种方法：超声消减法、超速离心法、沸腾冷却法及冻融去除法。基于气泡消除效果和操作的难易程度，常用的气泡消除方法主要为冻融去除法与超声消减法。

1.1 冻融去除法

冻融去除法是将纳米气泡溶液在低温下冷冻一段时间后解冻消除气泡的方法。该过程中纳米气泡被不断增长的冰晶挤压移动和聚集，最终导致气泡界面破裂，气泡得以消除[10]。Nirmalkar等[10]首次采用了冻融的方法（-18 ℃冷冻24 h，室温下解冻6 h）将体相纳米气泡的数量浓度降至极低的水平（图1），验证了原溶液中存在的是纳米气泡而非纳米颗粒；同时，冷冻前与解冻后气泡溶液的尺寸分布保持大致相同，说明信号的降低不是来源于纳米颗粒的聚集而是气泡数量的减少。Li等[38-39]也通过冻融试验证明了体相纳米气泡的产生而非纳米颗粒的影响。然而，冻融技术对表面活性剂包覆的体相纳米气泡却未表现出良好的消除效果。Nirmalkar等[10]将表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）加入到纯水中制备出的纳米气泡悬浮液，在冻融后气泡数量浓度几乎不变，表面活性剂分子被认为能为纳米气泡提供对抗冻融影响的屏蔽作用。不仅如此，快速冷冻技术甚至可以用作表面活性剂包覆的体相纳米气泡的有效保存手段。Nittayacharn等[40]采取了在液氮中闪冻的技术保存包膜纳米气泡，28 d后纳米气泡的浓度甚至超过了原溶液浓度的37.8%。冻融去除法对无包膜纳米气泡而言是一种洁净、高效、简便的去除方法，但对于表面活性剂包覆的纳米气泡的消除效果较差。

图1 冻融前后纳米气泡数量浓度的变化[10]Fig.1 Change of number concentration of the nanobubbles before and after freezing and thawing

1.2 超声消减法

超声消减法是利用超声作用引起体相纳米气泡的聚并、上浮和破裂，从而达到消除纳米气泡的效果。根据超声装置与气泡溶液的接触方式可以分为直接超声处理和间接超声处理。Yasuda等[41]对高浓度气泡溶液进行了直接超声处理〔图2(a）〕，结果表明：利用超声辐照纳米气泡溶液，随着超声时间、频率和超声功率的增加，纳米气泡的数量浓度显著降低；但在气泡数量浓度减小的同时，气核也在超声波的辐照下生长成为纳米气泡，因此在整体过程中，纳米气泡的发生和消除是同时发生的。

图2 纳米气泡的超声消减Fig.2 Ultrasonic elimination of nanobubbles

直接超声处理除了存在污染液体的情况外，还会引入新的纳米气泡，因此Tanaka等[42]采用间接超声处理来破坏水中纳米气泡的稳定性〔图2(b)〕。结果表明，经过30 min的间接超声处理，纳米气泡的数量浓度降低了90%；间接超声5 min后，对于非离子表面活性剂（聚乙二醇十六烷基醚）包覆的纳米气泡能达到80%的消除率；通过测量超声处理后气泡溶液的zeta电位和pH，发现超声辐照会使纳米气泡溶液酸化并使zeta电位绝对值降低，进而导致纳米气泡发生聚并、上浮和破裂现象。

超声消减法除了对无包膜纳米气泡具有良好的消除效果外，对表面活性剂包覆的纳米气泡依然具有较高的消除率，这大大扩展了超声消除法在降低体相纳米气泡数量浓度与气泡消除中的应用。但超声技术不可避免地会升高体系的温度，这对纳米气泡的稳定性及超声波在样品中的传播造成了影响[42]。因此，在未来利用超声技术调控体相纳米气泡数量浓度时需要进行精确的温度控制，如进行恒温水浴或制冷等。

目前对体相纳米气泡的消除方法的研究仍较少，消除原理都是利用对纳米气泡稳定性的破坏，如改变溶液pH和zeta电位或对气泡进行物理聚集，降低纳米气泡的热力学稳定性。未来可以根据改变纳米气泡内压、界面电位等物理化学性质，来破坏纳米气泡稳定性，进一步发展纳米气泡的消除技术，如改变离子浓度破坏气泡界面的双电层稳定性[43-44]等。

2 体相纳米气泡的尺寸调控

为了研究纳米气泡的物理化学性质，尤其是与尺寸相关的效应，需要定量改变纳米气泡的尺寸。比较已有研究可知，由于纳米气泡的发生具有一定的随机性，不同的发生装置初始发生的气泡尺寸差别很大，无法直接进行对比。为了调控气泡的尺寸，需要对体相纳米气泡的发生介质、发生时间、发生手段等工况及工艺过程进行优化与改进，或者进行尺寸的二次调控。目前，常见的体相纳米气泡尺寸调控手段主要可以分为气泡发生阶段的原位一次调控与发生后的二次调控。常见的尺寸调控方法包括循环均化法、微流控技术和膜技术等。

2.1 循环均化法

体相纳米气泡的尺寸分布随发生时间延长而变化，这在气泡发生工艺中是比较常见的现象。随着纳米气泡分散液的不断循环及气体的不断吸入，较大尺寸的纳米气泡由于不稳定，出现生长、聚并和破裂现象，因此体相纳米气泡的尺寸分布向小尺寸方向移动并且变得更均匀。Michailidi等[45]采用流体动力空化法分别产生了430～850 nm的空气纳米气泡和350～650 nm的氧气纳米气泡，发现气泡平均尺寸随着发生时间的延长而减小。这种循环时间依赖的尺寸分布变化存在一个饱和（临界）浓度，对应的时间称之为临界时间，当系统进入饱和状态后，继续增加循环时间，气泡数量浓度与尺寸不再改变。临界时间取决于发生器部件的几何特性，例如孔道开口尺寸、表面粗糙度、有效表面积、逆流长度、流体压力等。Gao等[46]研究发现，较大的微气泡比较小的微气泡更不稳定，在重力的作用下，大的微气泡数量浓度随时间减小得更快。另外，随着重复空化循环的增加，气泡的数量浓度也随之增加，可能的原因是溶解空气含量和气核的增多。

Li等[38]在自主研发的文丘里型水动力空化装置（图3）中，通过纳米气泡分散液的反复循环使发生出的体相纳米气泡尺寸分布减小。随着循环时间从5 min增至20 min，纳米气泡的尺寸分布峰值从333 nm/122 nm降到218 nm/52 nm（双峰分布）。这是因为随着循环时间的延长，能量输入引起氧饱和水的水动力空化频率升高，从而更容易发生空化成核并形成更小的纳米气泡。Zhang等[39]也在采用加压减压法原理的商用气泡发生器中发现了这一现象，气泡发生循环20 min后，体相纳米气泡的平均尺寸从480 nm减至300 nm，这可能得益于循环过程中大气泡聚并、上浮或者破裂。

图3 文丘里型水动力空化装置中通过循环使纳米气泡尺寸均化[38]Fig.3 The size homogenization of the nanobubbles by circulation through Venturi-type hydrodynamic cavitation device

通过控制气泡发生的循环时间来调控体相纳米气泡是一种简便、有效的原位一次气泡尺寸调控方法。通过多次反复循环后，不仅可以缩小纳米气泡的尺寸分布，还可以增加纳米气泡的数量浓度。但该方法目前只能做到单向调控。由于纳米气泡的发生具有随机性，因此尺寸调控的可重复性还有待进一步提高。但该方法对于研究纳米气泡的尺寸效应[39]仍是一种有效手段。

2.2 微流控技术

微流体在许多学科中得到了广泛的应用，与大批量制备技术相比，该技术所需反应物液体体积小，反应时间缩短并减少了试剂的消耗[47]。相较于常用的大批量纳米气泡发生手段，微流控技术是一种精细发生纳米气泡的新技术，具有粒径可控、分布窄、稳定性好等优点，常被用于发生聚合物包覆的纳米气泡，目前已经在生产超声造影剂、载药脂质体等方面得到了应用。

Xu等[36]将水溶性氮气和不溶性八氟丙烷作为气相的双组分气体，通过微流控气泡发生器直接制备出单分散纳米气泡，发现由于气体混合物中水溶性成分的溶解，纳米气泡的直径缩小到约100 nm。Abou-Saleh等[47]开发出称之为Horizon的微细气泡发生器，可发生特定尺寸的单分散微细气泡用于开展临床应用与研究（图4）。Song等[48]采用微流控流动聚焦方法发生了以聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）作为聚合物包膜的单分散微泡。PLGA包膜微气泡的尺寸可在600～7 000 nm内调控，尺寸分布的变异系数小于4%。

图4 通过微流控技术发生纳米气泡示意[47]Fig.4 Schematic for the nanobubbles generated by microfluidic technology

微流控技术在精确控制纳米气泡尺寸的同时，保证了发生的体相纳米气泡的单分散性。相较于其他纳米气泡原位尺寸控制发生技术，微流控技术发生的纳米气泡单分散性更好。但目前利用微流控技术发生尺寸可控气泡仍处于起步阶段，发生的气泡尺寸多处于微米级别。同时微流控技术操作难度大，调整气泡尺寸需要精准调控孔板大小、气体流量及气液界面张力，目前多用于生产表面包膜的功能性纳米气泡，而在大规模生产尺寸可控的无包膜纳米气泡方面还需要进一步研究。但总体而言，通过微流控技术发生的微气泡可以在较宽尺寸范围内进行调控，并具有高度单分散性，在医学研究中具有广泛的应用前景。

2.3 膜技术

多孔膜技术是目前最常用的体相纳米气泡尺寸调控手段之一，既可用于气泡的原位一次发生，也可用于气泡发生后的离位二次调控。体相纳米气泡可由注入气体通过浸没于溶液中的不同孔径的膜产生。外部加压气流被迫通过多孔膜，后经过特别设计的喷嘴系统进行释放，形成纳米气泡核〔图 5（a）〕[6]。多孔膜纳米气泡发生器通常由加压罐、气压调节器、气体流量计及多孔膜组成，能够在较短时间内发生大量尺寸可控的体相纳米气泡，是一种较为成熟的大批量发生尺寸可控纳米气泡的工具。根据Ahmed等[7]的研究，通过膜技术发生纳米气泡的过程近似图5（b）。纳米气泡的直径受到了膜孔径、亲疏水性与界面能的影响，可通过杨氏方程[7]描述。固-气界面能（γSV），固-液界面能（γSL）和液-气界面能（γLV）与纳米气泡平衡接触角之间的关系如下：

图5 使用多孔膜发生纳米气泡及孔尺寸对气泡粒径的影响Fig.5 Generation of nanobubbles using porous membranes and the influence of the pore size on the nanobubbles size

式中θ为纳米气泡平衡接触角。

纳米气泡半径（a）可表示为：

式中D为膜孔径，nm。

因此，通过合理设计膜孔径大小、气泡与膜表面接触角大小及曝气流量，可以较为准确地调控纳米气泡的尺寸。例如，通过表面修饰硬脂酸疏水涂层增大θ，使发生的纳米气泡尺寸缩小[7]。

目前常见的纳米气泡一次生成膜技术通常采用陶瓷膜（多孔玻璃、多孔陶瓷管、多孔氧化铝等）作为膜材料，其在具有良好强度的同时也避免了额外的污染。Kukizaki等[6]在十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中使用平均孔径为43～85 nm的Shirasu多孔玻璃膜（SPG膜）发生了平均直径为360～720 nm的纳米气泡，气泡的平均直径为膜平均孔径的8.6倍，证明了纳米气泡的直径可以通过膜孔径来调控。Ulatowski等[8]采用孔径为200 nm的多孔碳化硅可发生尺寸约为400 nm的氮气纳米气泡和160～250 nm的氧气纳米气泡。值得注意的是，通过膜技术发生的体相纳米气泡尺寸大多大于膜孔的直径，这是因为此方法中纳米气泡θ小于90°。

此外，多孔氧化铝膜也被用于发生固定尺寸的体相纳米气泡。Ma等[9]采用具有约100 nm孔径的多孔氧化铝膜发生出最小尺寸小于100 nm的体相纳米气泡，气泡尺寸与多孔膜的尺寸相当。同时也存在大于孔径尺寸的纳米气泡，且呈现出多峰分布（图6）。纳米气泡尺寸呈现出以比例增长的趋势，因此大气泡的产生被认为是2个相同尺寸的纳米气泡发生聚并造成的。

图6 使用多孔氧化铝生成体相纳米气泡的示意及气泡尺寸分布[9]Fig.6 Schematic for the bulk nanobubbles generated by porous alumina and their bubble size distributions

除了直接发生纳米气泡外，膜过滤技术还被用作纳米气泡尺寸的二次调控手段。如Zhang等[49]采用商业多孔滤膜成功对初次发生的宽分布体相纳米气泡进行精细的尺寸二次调控，发现通过注射泵将发生的纳米气泡溶液以不同注射速率通过滤膜，可以将气泡尺寸分布的最大值缩小到滤膜的孔径。低过滤速率下尺寸分级效果较差，原因是纳米气泡具有一定变形性。因此要实现气泡尺寸二次分级的理想效果需要达到一定的过滤速率，如20 mL/min。

膜技术是目前应用较为广泛的一种体相纳米气泡发生尺寸初级调控技术。由于采用多孔膜直接发生纳米气泡的尺寸远大于膜的孔径且较难控制，因此基于多孔膜尺寸的二次调控方法也随之发展起来。由于多孔膜具有良好的尺寸限制作用，已在纳米颗粒筛分中广泛应用。相较于纳米颗粒，纳米气泡具有弥散可变形的界面和较大的内压，因此其筛分机制更为复杂，需要进一步的研究。

3 技术比选与展望

目前体相纳米气泡与尺寸相关的物理化学效应已经引起学术界的高度重视，对纳米气泡尺寸的单分散性也有了更高的要求。针对大批量、尺寸可控体相纳米气泡的发生，及纳米气泡群体物理化学性质的研究，通过改变发生循环时间对气泡尺寸进行调节的方法虽较为粗糙但简单易行；采用膜技术发生纳米气泡需配备特定的气泡发生器，但气泡尺寸较易控制。对于单分散要求高，表面包覆功能性膜的纳米气泡的发生，则更适合使用微流控技术。体相纳米气泡的尺寸调控主要受制于仪器、技术原理、工艺过程和工况，因此如何精细调控纳米气泡成核或对气泡生长过程的传质进行实时控制，可能是未来精确调控纳米气泡尺寸的研究方向。

根据调控与气泡发生的关系，纳米气泡的尺寸调控和数量浓度调控（包括气泡消除）方法可分为原位的一次调控及二次调控（表1）。此外，按照可调控性、设备依赖性、工艺难易度、可拓展性及调控成本对纳米气泡的尺寸和数量浓度调控方法进行了综合评估，结果如图7所示。综合而言，微流控技术具有最优的尺寸可调控性，但高设备依赖性和高成本及无法大批量生产的特点限制了其应用，对功能性纳米气泡的可控发生使其在医学研究中仍具有较大的发展空间。膜技术由于具有成本低、工艺简单、设备依赖度低等优势，可能会成为未来纳米气泡尺寸调控的重要手段，但需进一步提高尺寸可调控性，尤其是二次调控方法。而目前的体相纳米气泡的数量浓度调控技术虽工艺简单且成本较低，但均无法实现气泡数量浓度的精确控制，且大部分技术仅能实现对数量浓度的单向调控。因此，亟待发展纳米气泡数量浓度的精准调控技术。

图7 纳米气泡的尺寸调控与数量浓度调控技术综合评估结果Fig.7 Comprehensive evaluation results on the size and concentration control methods for bulk nanobubbles.

表1 体相纳米气泡尺寸和数量浓度调控方法分类Table 1 Classification of bulk nanobubbles size and number concentration control methods

4 结语

体相纳米气泡可视为一种特殊胶体体系，已广泛应用于工业、农业和环境治理中。然而，由于发生器的结构、工况及溶液环境的不同，发生纳米气泡过程中尺寸的调控及复现性比较差，从而为定量研究纳米气泡的尺寸相关的物理、化学及生物医学效应增加了难度。笔者就近年来体相纳米气泡的数量浓度及尺寸调控技术的发展与现状进行了分析和总结，主要分析对比了循环均化法、微流控技术和膜技术等尺寸调控方法与冻融去除法、超声消减法等数量浓度调控方法的优劣，并对各技术的调控效果进行了综合评估，为定量研究体相纳米气泡的尺寸及数量浓度相关的性质提供了依据。

在未来的研究中，对纳米气泡尺寸和浓度等基础参量的要求会越来越精细，而目前的调控技术还远不能满足需要，尤其是纳米气泡的数量浓度调控。此外，对气泡成核、生长过程的机理和认识也亟待完善，而通过对纳米气泡成核、气体的传质过程的精准调控，可以有效减小纳米气泡尺寸和数量浓度的随机性，为机理研究提供重要基础。