Cavitación, disolución de gases y burbujas finas

Cómo un Venturi aspira gas

Un Venturi airea sin compresor. El agua se acelera en la garganta y su presión baja, según el principio de Bernoulli Zheng et al., 2022. Incluso una pequeña diferencia de presión entre la entrada y la salida produjo succión en los orificios de la garganta; el caudal de aire inyectado dependió del número de Reynolds del flujo (una medida de la turbulencia), del diámetro de los orificios de aire y de la entrada, y de la tubería aguas abajo Baylar et al., 2007.

Los generadores de orificio funcionan igual. En un diseño, la presión justo aguas abajo del orificio se volvió negativa y aspiró aire a través de un tubo poroso Sadatomi et al., 2012. La bomba que impulsa el agua aporta toda la energía.

Cómo la cizalla rompe el gas en micro y nanoburbujas

El flujo desgarra el gas que entra. En el generador de orificio, la cizalla alta y la turbulencia intensa rompieron el aire aspirado en una cantidad muy grande de microburbujas. Más del 70 % de las burbujas medidas tuvo menos de 0,1 mm (no se pudieron medir burbujas menores de 0,01 mm). Con 1,0 L/min de aire, el diámetro medio fue de unos 0,12 mm. Para producir solo microburbujas se necesitó una velocidad media del agua en el orificio superior a unos 10 m/s Sadatomi et al., 2012.

Los dispositivos de cavitación también pueden dejar nanoburbujas, menores de 1 µm. Un dispositivo tipo Venturi que recirculó agua a 2 a 5 bar durante 5 a 20 minutos produjo nanoburbujas en volumen con diámetros medios de 180 a 210 nm; una muestra preparada en 15 minutos a 3 bar persistió 72 horas Li et al., 2021. En un Venturi autoaspirante, el agua recién tratada se veía lechosa por las microburbujas; en reposo, estas coalescieron, subieron y estallaron en pocos minutos, y el agua se aclaró Zhou et al., 2022. Por qué persisten las nanoburbujas y cómo distinguirlas de las microburbujas se explica en Mecanismos de generación y estabilidad y Nanoburbujas frente a microburbujas.

Recuperación de presión y disolución

Aguas abajo de la garganta, la presión se recupera de golpe Zheng et al., 2022. Las burbujas arrastradas quedan entonces a mayor presión, lo que favorece la disolución. Según la ley de Henry, la relación de equilibrio entre la cantidad de un gas en la fase gaseosa y en el agua es constante para una solución diluida Sander, 2023, de modo que se disuelve más gas a mayor presión parcial, ya sea por la recuperación de presión o por la profundidad del tanque. Las burbujas finas ofrecen además una gran interfaz gas–líquido y suben despacio, lo que alarga el tiempo de contacto. Cómo la interfaz, el tamaño de burbuja y el tiempo de contacto determinan el coeficiente de transferencia (kLa) se explica en Difusión y transferencia de masa gas–líquido.

Solo una parte del gas se disolvió en el único generador que lo midió: entre el 25 y el 30 % del oxígeno suministrado, casi sin depender del caudal de aire ni del tipo de generador, en un tanque de agua de grifo de 1,2 m de profundidad a 20 °C Sadatomi et al., 2012.

Transferencia de oxígeno medida

Dos medidas responden a preguntas distintas. La eficiencia estándar de transferencia de oxígeno (SOTE) es la fracción del oxígeno suministrado que se disuelve. La eficiencia estándar de aireación (SAE, por sus siglas en inglés) es el oxígeno disuelto por kilovatio-hora de potencia, incluida la bomba.

Módulos de inyectores de aire Venturi probados en agua alcanzaron valores de kLa de 9,67 y 5,93 h⁻¹ con dos y tres inyectores en paralelo, frente a 3,63 a 4,54 h⁻¹ en serie, y eficiencias de aireación de 0,10 a 0,14 kg O₂/kWh en paralelo frente a 0,06 a 0,07 en serie Zhu et al., 2007. Una bomba sumergible de 1,1 kW con un inyector Venturi alcanzó 1,166 kg O₂/kWh en su mejor configuración (boquilla de 14 mm, 60 cm de profundidad, ángulo de 45°); el diámetro de la boquilla marcó una diferencia significativa, y la profundidad y el ángulo no Ghomi et al., 2009. Los estudios usaron bombas y tanques distintos, de modo que estas cifras no clasifican diseños.

A escala piloto, un montaje de CH con un tanque abierto de 1,86 m³, que trataba aguas residuales municipales sedimentadas a 23 °C, elevó el oxígeno disuelto (OD) de 4,5 a 8 mg/L en 4 minutos; después, el OD se mantuvo entre 7,02 y 7,86 mg/L hasta el final de la corrida de 24 minutos Janetasari & Bokányi, 2026.

La potencia de la bomba decide la comparación. A escala real, unos aireadores de chorro en lodo espeso de digestor no superaron sus pruebas estándar por márgenes considerables. Transfirieron una fracción de oxígeno similar a la de los difusores de burbuja gruesa, pero los difusores tuvieron una eficiencia de aireación bastante mayor al contabilizar la potencia de la bomba de chorro, y las burbujas finas coalescieron en el lodo espeso Steele et al., 2023.

Desgasificar frente a disolver

La baja presión que aspira el gas también puede sacarlo de la solución. En un túnel con Venturi y contenido de aire controlado, las cavidades grandes eran sobre todo vapor de agua, pero la proporción de aire disuelto que se difundía hacia ellas aumentó a medida que se encogían, y el aire disuelto dejó más burbujas de gas tras el colapso Tian et al., 2025. Que ese gas vuelva a disolverse o escape depende de la presión y del tiempo de contacto aguas abajo.

Mantenido a baja presión, un Venturi puede desgasificar el agua casi por completo. Un burbujeador de boquilla Venturi en un recipiente a 1 kPa, sin calentamiento, llevó el oxígeno disuelto de 360 a 400 L de agua de grifo casi a cero Jun, 2023.

Un estudio observó ambos sentidos. En 1 L de agua ultrapura, un Venturi autoaspirante elevó el OD de unos 8,5 mg/L a un máximo de 11,3 a 11,8 mg/L hacia los 100 segundos, y después el OD bajó poco a poco mientras el dispositivo seguía funcionando; el agua se calentó menos de 1,5 °C, muy poco para explicar la bajada. El OD subió y bajó a la par con el número de microburbujas, el máximo fue menor cuando el caudal de aire añadido superó 10 mL/min, y el OD volvió a bajar en reposo a medida que desaparecían las microburbujas Zhou et al., 2022. El agua por encima de la saturación (sobresaturación) tiende a perder el exceso, como se explica en Cómo se disuelven los gases en el agua y El agua como portadora de gases.

Hacia dónde sigue

La cavitación es una de las principales formas de producir burbujas finas, y el curso de Micro y nanoburbujas parte de ahí con Mecanismos de generación y estabilidad. Cómo usan las industrias la cavitación y el gas que transporta se trata, lección por lección, en agricultura, acuicultura, tratamiento de aguas, minería y energía.