Cómo el gas cambia la aplicación
¿Por qué la elección del gas (aire, oxígeno, ozono o CO₂) cambia lo que hacen las nanoburbujas?
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El gas define la química
El tamaño y la persistencia de una nanoburbuja se explican por la física, pero lo que hace en una aplicación depende del gas que contiene. El aire y el oxígeno aportan oxígeno; las nanoburbujas de oxígeno aportan además especies reactivas de oxígeno; el ozono agrega una oxidación intensa mediante radicales hidroxilo, y el dióxido de carbono acidifica el agua. El gas también modifica la burbuja misma: la carga superficial fue distinta entre nanoburbujas de aire, de oxígeno y de nitrógeno Ahmed et al., 2018.
| Gas | Qué aporta | Aplicaciones estudiadas |
|---|---|---|
| Aire | Efectos físicos: unión de partículas, aireación, reducción del arrastre | Flotación de minerales, aireación, limpieza de superficies |
| Oxígeno | Suministro de oxígeno y ERO exógenas | Germinación de semillas, crecimiento de plantas, acuicultura |
| Ozono | Radicales hidroxilo y oxidación prolongada | Contaminantes orgánicos en aguas residuales y subterráneas |
| Dióxido de carbono | Acidez y transferencia de gas | Control del pH, procesamiento de alimentos, investigación sobre almacenamiento de CO₂ |
Cada fila se analiza a continuación, con sus fuentes. La Biblioteca de gases tiene un perfil de cada gas: oxígeno, ozono, aire y dióxido de carbono.
Nanoburbujas de aire
Las nanoburbujas de aire se han estudiado sobre todo por sus efectos físicos. En el procesamiento de minerales, incluidos el carbón, el fosfato y el cuarzo, mejoraron la recuperación de partículas finas. Actúan como colector secundario: unen las partículas a burbujas más grandes y aumentan el ángulo de contacto, y con ello la hidrofobicidad, de las superficies minerales Tao, 2022; Azevedo et al., 2019.
Las nanoburbujas de aire también se usan para la aireación general del agua. Las revisiones informan que redujeron la fricción del fluido (el arrastre) en tuberías y que se han aplicado a la limpieza de superficies Agarwal et al., 2011; Nirmalkar et al., 2018.
Nanoburbujas de oxígeno
Las (ONB) se han estudiado por sus efectos en plantas y animales acuáticos. En agricultura, las ONB favorecieron la germinación de semillas, entre ellas de cebada y de hortalizas, y el crecimiento de las plantas. El mecanismo propuesto combina un aporte de (ERO) exógenas con una mayor disponibilidad de oxígeno para la respiración de las raíces Liu et al., 2015; Liu et al., 2016; Ahmed et al., 2018.
En acuicultura, las ONB mantuvieron niveles altos de (OD) durante períodos prolongados, lo que las fuentes atribuyen a su baja flotabilidad y a su alta eficiencia de transferencia de masa. Los investigadores informaron mejores tasas de supervivencia y un metabolismo más rápido en peces y mariscos Ebina et al., 2013; Agarwal et al., 2011.
Nanoburbujas de ozono
Las nanoburbujas de ozono aportan oxidación. Se han estudiado para descomponer contaminantes orgánicos en aguas residuales y, al colapsar, generan radicales hidroxilo (·OH), la especie reactiva en la que se basan los (POA) Sakr et al., 2022; Agarwal et al., 2011. Los resultados medidos de oxidación se tratan en Oxidación avanzada.
Su tamaño reducido también cambia el tiempo durante el cual el ozono permanece activo. En comparación con las macroburbujas, las micro-nanoburbujas de ozono tienen una presión interna y un área superficial mucho mayores, lo que aumenta la solubilidad. En estudios de aguas residuales contaminadas con compuestos orgánicos y de remediación de aguas subterráneas, persistieron durante días en lugar de minutos, lo que prolongó la reactividad oxidativa del ozono en el agua Xia y Hu, 2018; Hu y Xia, 2018.
Nanoburbujas de dióxido de carbono
Las nanoburbujas de dióxido de carbono se usan por su acidez y por su transferencia de gas. Se han aplicado al control del pH, neutralizando soluciones alcalinas, y han mostrado potencial para favorecer el crecimiento de las plantas y en el procesamiento de alimentos Ahmed et al., 2018; Phan et al., 2021.
También se investigan para la carbonatación mineral y el almacenamiento geológico de CO₂, debido a su alta eficiencia de transferencia de masa hacia los líquidos. Ese trabajo se resume en una revisión, y esta lección no informa ningún resultado a escala de campo Li et al., 2023.
Qué significa en la práctica
En la práctica, el gas debería elegirse según el resultado que necesita el sitio, y cada gas remite a una medición distinta. Para el aire y el oxígeno, registre el oxígeno disuelto en mg/L frente a un control sin tratar o con aireación convencional. Para semillas y cultivos, lleve registros de germinación y de rendimiento frente a un lote sin tratar. Para el ozono, mida el compuesto de interés y el potencial de óxido-reducción () frente a un control sin tratar. Para el dióxido de carbono, registre el pH. Para la flotación, compare la recuperación de partículas finas con la línea de base existente.
El aporte de oxígeno no es una etapa de saneamiento. Donde la higiene del agua importa, el programa de higiene existente continúa junto con cualquier tratamiento con oxígeno.
Como los estudios usaron gases, generadores y aguas específicos, una prueba en sitio debería durar lo suficiente para que cambie la variable de interés, con un control en paralelo.
Límites y preguntas abiertas
La mayor parte de la evidencia sobre aplicaciones proviene de artículos de revisión, y la lección no informa magnitudes de efecto: ni porcentajes de recuperación, ni tasas de germinación, ni cifras de crecimiento, ni reducciones de contaminantes.
Los efectos podrían depender de la dosis. Uno de los estudios de germinación informa efectos tanto positivos como negativos de las ERO de las nanoburbujas sobre la germinación de semillas de hortalizas, de modo que más no es necesariamente mejor, y la lección no indica dosis.
La persistencia del ozono durante días se informó para micro-nanoburbujas en estudios específicos de aguas residuales y subterráneas; podría no extrapolarse a otras aguas. Los resultados en acuicultura se presentan sin especies, dosis ni duraciones, y el trabajo sobre almacenamiento de CO₂ proviene de una revisión de la investigación, no de una práctica de campo informada aquí.
Preguntas
¿Qué gas conviene usar en las nanoburbujas?
Depende del resultado que se busque. En la investigación citada, las nanoburbujas de aire se usaron para flotación y aireación; las de oxígeno, para germinación, crecimiento vegetal y acuicultura; las de ozono, para oxidar contaminantes orgánicos, y las de dióxido de carbono, para controlar el pH. Cada opción debe probarse en el sitio frente a un control.
¿Las nanoburbujas de ozono duran más que las burbujas de ozono comunes?
En estudios de tratamiento de aguas residuales y subterráneas, las micro-nanoburbujas de ozono persistieron durante días en lugar de minutos, lo que prolongó la reactividad oxidativa del ozono en el agua. Las fuentes lo atribuyen a una presión interna y un área superficial mayores que las de las macroburbujas. El resultado proviene de aguas específicas.
¿Por qué las nanoburbujas de oxígeno influyen en la germinación de semillas?
Los investigadores atribuyen el efecto a dos factores: un aporte de especies reactivas de oxígeno desde las nanoburbujas y más oxígeno disponible para la respiración. Los estudios informaron que la germinación y el crecimiento se vieron favorecidos, pero uno también informó efectos negativos de esas mismas especies reactivas, por lo que la dosis podría importar.
Referencias
- Tao, D. (2022). Recent advances in fundamentals and applications of nanobubble enhanced froth flotation: A review. Minerals Engineering, 183, 107554. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2022.107554 ↩
- Azevedo, A., Oliveira, H., Rubio, J. (2019). Bulk nanobubbles in the mineral and environmental areas: Updating research and applications. Advances in Colloid and Interface Science, 271, 101992. https://doi.org/10.1016/j.cis.2019.101992 ↩
- Liu, S., Oshita, S., Kawabata, S., et al. (2016). Identification of ROS Produced by Nanobubbles and Their Positive and Negative Effects on Vegetable Seed Germination. Langmuir, 32, 11295-11302. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b01621 ↩
- Ahmed, A. K. A., Shi, X., Hua, L., et al. (2018). Influences of Air, Oxygen, Nitrogen, and Carbon Dioxide Nanobubbles on Seed Germination and Plant Growth. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 66, 5117-5124. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.8b00333 ↩
- Sakr, M., Mohamed, M. M., Maraqa, M. A., et al. (2022). A critical review of the recent developments in micro–nano bubbles applications for domestic and industrial wastewater treatment. Alexandria Engineering Journal, 61, 6591-6612. https://doi.org/10.1016/j.aej.2021.11.041 ↩
- 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 ↩
- Xia, Z., Hu, L. (2018). Treatment of Organics Contaminated Wastewater by Ozone Micro-Nano-Bubbles. Water, 11, 55. https://doi.org/10.3390/w11010055 ↩
- Hu, L., Xia, Z. (2018). Application of ozone micro-nano-bubbles to groundwater remediation. Journal of Hazardous Materials, 342, 446-453. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2017.08.030 ↩
- Phan, K. K. T., Truong, T., Wang, Y., et al. (2020). Formation and Stability of Carbon Dioxide Nanobubbles for Potential Applications in Food Processing. Food Engineering Reviews, 13, 3-14. https://doi.org/10.1007/s12393-020-09233-0 ↩
- Li, X., Peng, B., Liu, Q., et al. (2023). Micro and nanobubbles technologies as a new horizon for CO2-EOR and CO2 geological storage techniques: A review. Fuel, 341, 127661. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.127661 ↩
- Khaled Abdella Ahmed, A., Sun, C., Hua, L., et al. (2018). Colloidal Properties of Air, Oxygen, and Nitrogen Nanobubbles in Water: Effects of Ionic Strength, Natural Organic Matters, and Surfactants. Environmental Engineering Science, 35, 720-727. https://doi.org/10.1089/ees.2017.0377 ↩
- 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 ↩
- Liu, S., Oshita, S., Makino, Y., et al. (2015). Oxidative Capacity of Nanobubbles and Its Effect on Seed Germination. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 4, 1347-1353. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5b01368 ↩
- 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 ↩