Nanoburbujas frente a microburbujas
¿Qué distingue realmente a una nanoburbuja de una microburbuja y por qué importa en la práctica?
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Tamaño: dónde se traza el límite
Las dos clases se distinguen, en primer lugar, por el tamaño. Una suele medir menos de 1 µm, y las poblaciones de nanoburbujas informadas se ubican por lo general entre 100 y 200 nm. Una suele medir entre 1 y 100 µm. Las definiciones varían ligeramente según la fuente, pero los dos rangos son distintos Akshit et al., 2024; Alheshibri et al., 2016.
El tamaño importa porque de él se derivan las demás diferencias: la velocidad con que asciende una burbuja, cuánta luz dispersa, cuánta superficie ofrece por unidad de gas y cómo termina.
| Característica | Nanoburbujas | Microburbujas |
|---|---|---|
| Tamaño | Por lo general < 1 µm; con frecuencia de 100 a 200 nm | Por lo general de 1 a 100 µm |
| Flotabilidad | Insignificante | Significativa |
| Movimiento en el agua | Browniano; permanecen suspendidas durante semanas o meses | Ascienden en vertical, según la ley de Stokes |
| Aspecto | Transparente | Lechoso o turbio al principio |
| Final | Se contraen y se disuelven, o colapsan | Revientan en la superficie, o se contraen hasta convertirse en nanoburbujas |
Cada fila se analiza, con sus fuentes, en las secciones siguientes.
Flotabilidad y movimiento
Las microburbujas suben y las nanoburbujas se quedan. Las microburbujas tienen una flotabilidad significativa y ascienden de manera sostenida hacia la superficie, según la ley de Stokes. Las nanoburbujas tienen una flotabilidad insignificante: otras fuerzas superan a la gravedad y al empuje, de modo que se mueven al azar por movimiento browniano y han permanecido suspendidas durante semanas o meses Ebina et al., 2013; Foudas et al., 2023; Akshit et al., 2024.
Esa persistencia es en sí misma un enigma. Según la ecuación de Young-Laplace, una nanoburbuja debería disolverse en microsegundos; los modelos propuestos para explicar por qué no ocurre se exponen en Mecanismos de generación y estabilidad.
Aspecto: lechoso frente a transparente
La diferencia visible a simple vista es la turbidez. Las microburbujas, por lo general de 10 a 50 µm al generarse, dispersan suficiente luz como para que el agua se vea lechosa; como ascienden con rapidez y revientan en la superficie, la turbidez desaparece poco después de la generación Agarwal et al., 2011.
Las nanoburbujas son demasiado pequeñas para enturbiar el agua, por lo que una suspensión de nanoburbujas se ve transparente Ebina et al., 2013; Foudas et al., 2023. Durante la generación, las dos clases suelen aparecer juntas: el líquido se vuelve lechoso por las microburbujas, que ascienden y revientan, y deja atrás la suspensión transparente de nanoburbujas Foudas et al., 2023.
Cómo termina cada una
Las microburbujas suelen salir por la superficie. Ascienden y revientan en la interfaz gas-líquido, o se contraen hasta convertirse en nanoburbujas antes de colapsar Takahashi et al., 2007; Agarwal et al., 2011.
Las nanoburbujas terminan dentro del líquido. Se contraen y se disuelven en él, o colapsan, un proceso en el que se ha informado liberación de radicales libres y de una cantidad significativa de energía Takahashi et al., 2007; Agarwal et al., 2011. Los radicales involucrados, sobre todo el radical hidroxilo, se describen en Propiedades fisicoquímicas clave.
Área superficial y carga
El tamaño reducido también cambia la forma en que una burbuja intercambia gas e interactúa con sus vecinas. Las nanoburbujas mostraron tasas de más altas que las macroburbujas, lo que se atribuye a su área superficial específica muy grande en relación con su volumen Fan et al., 2010; Akshit et al., 2024.
Las nanoburbujas también tienen carga superficial negativa: su se ubicó en general entre −20 mV y −50 mV a pH neutro, y una magnitud superior a 30 mV se cita como repulsión suficiente para evitar que las burbujas se fusionen Hewage et al., 2021; Akshit et al., 2024.
Medir una población mixta
El agua recién generada suele contener ambas clases, lo que complica la medición. En la dispersión dinámica de la luz (), la intensidad dispersada aumenta con el diámetro elevado a la sexta potencia (d⁶), de modo que unas pocas microburbujas grandes o contaminantes pueden enmascarar la señal de millones de nanoburbujas y desplazar hacia arriba el tamaño informado Nirmalkar et al., 2018; Li y Zhang, 2022. Los métodos de conteo, y los controles necesarios antes de llamar burbujas a las partículas detectadas, se tratan en Caracterización y medición.
Qué significa en la práctica
En la práctica, lo que una persona ve en el agua es una señal de microburbujas, no de nanoburbujas. El agua lechosa indica que hay microburbujas; el agua transparente después de la generación es el aspecto que tiene una suspensión de nanoburbujas, y no demuestra que no haya nada.
Para distinguirlas en un sitio, tome las muestras cuando la turbidez haya desaparecido, mida el tamaño y el recuento con métodos de seguimiento de partículas y no solo con DLS, e incluya controles: el agua de alimentación sin tratar y una muestra que se vuelva a medir después de haber reposado un tiempo. Registre la temperatura y el pH del agua con cada muestra.
Si el objetivo es el gas disuelto, registre el oxígeno disuelto en mg/L frente a un control sin tratar, ya que una sonda mide el gas disuelto y no las burbujas de ninguna de las dos clases.
Límites y preguntas abiertas
Los límites de tamaño son convenciones, y las fuentes citadas señalan que las definiciones varían ligeramente; una población es una distribución que puede extenderse a ambos lados de 1 µm, no un tamaño único.
Las duraciones de semanas o meses se informaron para suspensiones de laboratorio. Parte de la evidencia sobre el colapso proviene de estudios con microburbujas que colapsan, no con nanoburbujas, y la mayoría de las fuentes de esta lección son artículos de revisión.
La lección no informa ninguna comparación de campo, lado a lado, de las dos clases en un sistema en funcionamiento.
Preguntas
¿Qué tamaño tiene una nanoburbuja en comparación con una microburbuja?
Las nanoburbujas suelen medir menos de 1 µm, por lo general entre 100 y 200 nm. Las microburbujas suelen medir entre 1 y 100 µm. Las fuentes trazan el límite de forma algo distinta, y una muestra real es una distribución de tamaños y no un valor único, por lo que conviene describirlas con distribuciones medidas.
¿Por qué las nanoburbujas no suben a la superficie?
Su flotabilidad es insignificante. Otras fuerzas superan a la gravedad y al empuje, de modo que las nanoburbujas se mueven al azar por movimiento browniano en lugar de ascender, y en laboratorio permanecieron en el agua durante semanas o meses. Las microburbujas tienen flotabilidad significativa y ascienden según la ley de Stokes.
¿Por qué el agua con nanoburbujas se ve transparente?
Las nanoburbujas son demasiado pequeñas para dispersar la luz necesaria para enturbiar el agua. El aspecto lechoso del agua recién generada proviene de las microburbujas, que ascienden y revientan poco después. El agua transparente es compatible con una suspensión de nanoburbujas, pero confirmarla requiere instrumentos y controles, no la vista.
Referencias
- Akshit, F., Mao, T., Mohan, M. S. (2024). Future perspective of nanobubble technology in dairy processing applications. Trends in Food Science & Technology, 147, 104420. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2024.104420 ↩
- Alheshibri, M., Qian, J., Jehannin, M., et al. (2016). A History of Nanobubbles. Langmuir, 32, 11086-11100. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b02489 ↩
- Ebina, K., Shi, K., Hirao, M., et al. (2013). Oxygen and Air Nanobubble Water Solution Promote the Growth of Plants, Fishes, and Mice. PLoS ONE, 8, e65339. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0065339 ↩
- Foudas, A. W., Kosheleva, R. I., Favvas, E. P., et al. (2023). Fundamentals and applications of nanobubbles: A review. Chemical Engineering Research and Design, 189, 64-86. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.11.013 ↩
- Agarwal, A., Ng, W. J., Liu, Y. (2011). Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere, 84, 1175-1180. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2011.05.054 ↩
- Takahashi, M., Chiba, K., Li, P. (2007). Free-Radical Generation from Collapsing Microbubbles in the Absence of a Dynamic Stimulus. The Journal of Physical Chemistry B, 111, 1343-1347. https://doi.org/10.1021/jp0669254 ↩
- Nirmalkar, N., Pacek, A. W., Barigou, M. (2018). On the Existence and Stability of Bulk Nanobubbles. Langmuir, 34, 10964-10973. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b01163 ↩
- Li, C., Zhang, H. (2022). A review of bulk nanobubbles and their roles in flotation of fine particles. Powder Technology, 395, 618-633. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.10.004 ↩
- FAN, M., TAO, D., HONAKER, R., et al. (2010). Nanobubble generation and its application in froth flotation (part I): nanobubble generation and its effects on properties of microbubble and millimeter scale bubble solutions. Mining Science and Technology (China), 20, 1-19. https://doi.org/10.1016/S1674-5264(09)60154-X ↩
- Hewage, S. A., Kewalramani, J., Meegoda, J. N. (2021). Stability of nanobubbles in different salts solutions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 609, 125669. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2020.125669 ↩