Mecanismos de generación y estabilidad
¿Cómo se producen las nanoburbujas y por qué persisten en el agua mucho después de que las burbujas grandes suben y revientan?
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Cómo se generan las nanoburbujas
Las nanoburbujas en volumen se producen principalmente de dos maneras: por cavitación, en la que una caída local de presión forma burbujas dentro del líquido, y forzando gas a través de una membrana porosa hacia un líquido en circulación Wang y Wang, 2023. Las dos vías difieren en lo que controla el tamaño de burbuja, por lo que se describen por separado a continuación.
Cavitación hidrodinámica
La (CH) se basa en el principio de Bernoulli. Cuando el líquido atraviesa un estrechamiento, su velocidad aumenta y su presión estática disminuye; donde la presión local cae por debajo de la presión de vapor saturado del líquido, se forman cavidades (burbujas) Ahmed et al., 2018; Akshit et al., 2024. Las revisiones describen la CH como un método ampliamente adoptado y adecuado para el escalado.
El tubo Venturi es un dispositivo de CH habitual. El líquido se acelera en una sección cónica convergente y la zona de presión negativa que se forma aspira el gas. Luego la mezcla gas-líquido se somete a un intenso cizallamiento hidráulico, que fragmenta el gas en microburbujas y nanoburbujas Li et al., 2021.
Los generadores de flujo en remolino hacen girar el líquido con la velocidad suficiente para abrir un vórtice con un núcleo de baja presión, donde se nuclean las nanoburbujas Alam et al., 2022. Durante la generación, el líquido suele volverse lechoso por las microburbujas. Estas ascienden y revientan, y dejan una suspensión transparente de las nanoburbujas que permanecen Foudas et al., 2023.
Membranas cerámicas
Los generadores de membrana fuerzan gas a presión a través de una membrana cerámica porosa, por ejemplo una con poros de 100 nm, hacia un líquido en circulación. La presión del gas debe superar la presión capilar de los poros (el punto de burbuja), y el cizallamiento del líquido en movimiento desprende las burbujas de la superficie de la membrana Wang y Wang, 2023.
En esta vía, la membrana y la presión de operación determinan el tamaño de burbuja. El tamaño de poro, la hidrofobicidad de la superficie de la membrana y la presión de inyección del gas influyeron en el tamaño de las nanoburbujas, y las presiones de inyección más altas produjeron burbujas más pequeñas Ahmed et al., 2018; Phan et al., 2021.
Por qué persisten las nanoburbujas
Las nanoburbujas en volumen duran mucho más de lo que permite la teoría clásica, y se han propuesto tres modelos físicos para explicarlo. Según la ecuación de Young-Laplace, cuanto más pequeña es una burbuja, mayor es su presión interna, de modo que una nanoburbuja debería perder su gas y disolverse en microsegundos. En cambio, se ha informado que suspensiones preparadas en laboratorio persistieron durante meses Nirmalkar et al., 2018; Foudas et al., 2023.
Carga superficial y blindaje iónico
El modelo de carga superficial sostiene que la carga eléctrica de la interfaz contrarresta la presión interna. Las nanoburbujas en agua pura presentan una interfaz con carga negativa, que se atribuye a los iones hidróxido (OH⁻) adsorbidos. Esa carga atrae contraiones positivos y forma una doble capa eléctrica (EDL, por sus siglas en inglés), y la repulsión electrostática entre los iones de la superficie de la burbuja actúa como una presión hacia afuera frente a la tensión superficial hacia adentro (la presión de Laplace) Nirmalkar et al., 2018.
La magnitud de esta carga se mide como , tema que se trata en Propiedades fisicoquímicas clave.
Una "piel" interfacial
El modelo de la piel sostiene que el material adsorbido en la interfaz gas-líquido frena la salida del gas. Contaminantes orgánicos, tensioactivos o partículas sólidas se acumulan en la interfaz y forman una capa rígida o semirrígida. Esa capa reduce la tensión superficial y actúa como una barrera física a la difusión del gas, lo que inhibe la disolución Yasui et al., 2019; Jin et al., 2022.
Sobresaturación y equilibrio dinámico
El tercer modelo sostiene que el gas que entra en la burbuja y el que sale de ella alcanzan un equilibrio. La sobresaturación local de gas en el líquido que rodea la burbuja, o las interacciones hidrofóbicas de superficie que retienen el gas, impedirían entonces una pérdida neta de gas desde la burbuja Akshit et al., 2024; Lasek et al., 2023.
Las fuentes citadas presentan estos modelos como explicaciones alternativas. Además, dependen de condiciones distintas: el modelo de la piel requiere contaminantes, tensioactivos o partículas en la interfaz, mientras que el modelo de carga superficial se describe para agua pura.
Qué significa en la práctica
En la práctica, el método de generación define la población de burbujas y, según los modelos anteriores, el agua misma contribuye a determinar cuánto dura. En los trabajos con membranas descritos arriba, el tamaño de poro, la superficie de la membrana y la presión del gas modificaron el tamaño de burbuja; por eso, dos generadores, o un mismo generador con dos ajustes, deben compararse por el tamaño y la concentración medidos en la misma agua, no por sus especificaciones.
El agua lechosa no es una lectura de nanoburbujas: indica microburbujas, que ascienden y desaparecen. La suspensión de nanoburbujas que queda es transparente y debe caracterizarse con instrumentos y controles, como se describe en Caracterización y medición.
Como los modelos de estabilidad apuntan a la carga, los iones disueltos, la materia orgánica y los tensioactivos, una prueba en sitio debería registrar las propiedades del agua (pH, conductividad y temperatura) y tomar muestras tanto a la salida del generador como en el punto de uso, repitiendo la medición a lo largo del tiempo después de la generación.
Límites y preguntas abiertas
La mayor parte de la evidencia de esta lección proviene de artículos de revisión que resumen trabajos de laboratorio; la lección no informa ninguna medición de campo sobre la generación ni sobre la estabilidad.
La persistencia de meses se informó para suspensiones de laboratorio en agua pura. Cuánto duran las nanoburbujas en agua con partículas, materia orgánica, sales disueltas y flujo no se midió en los trabajos citados.
Los tres modelos de estabilidad se presentan uno junto al otro. La lección no cita ningún estudio que los compare entre sí en las mismas condiciones, y los resultados de tamaño obtenidos con membranas provienen de dispositivos específicos que podrían no ser extrapolables a otros.
Preguntas
¿Cómo se fabrican las nanoburbujas?
La mayoría se produce por cavitación hidrodinámica: el líquido se acelera en un estrechamiento, como un tubo Venturi, y su presión cae hasta formar burbujas. La otra vía fuerza gas a presión a través de una membrana cerámica porosa hacia un líquido en circulación; allí, el poro, la superficie y la presión modificaron el tamaño.
¿Por qué las nanoburbujas no se disuelven de inmediato?
La ecuación de Young-Laplace predice que una burbuja tan pequeña debería disolverse en microsegundos; sin embargo, se informó que muestras de laboratorio en agua pura duraron meses. Las explicaciones propuestas son una carga superficial negativa que contrarresta la presión interna, una piel adsorbida que frena la pérdida de gas y una sobresaturación local que equilibra el intercambio.
¿Por qué el agua recién tratada se ve lechosa y luego se aclara?
La turbidez proviene de las microburbujas, que dispersan la luz y luego ascienden y revientan. Lo que queda es una suspensión transparente de nanoburbujas, demasiado pequeñas para enturbiar el agua. Por eso, el agua clara no indica que el tratamiento haya fallado, y el agua lechosa no prueba la presencia de nanoburbujas; se necesitan instrumentos con controles adecuados.
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 ↩
- Ahmed, A. K. A., Sun, C., Hua, L., et al. (2018). Generation of nanobubbles by ceramic membrane filters: The dependence of bubble size and zeta potential on surface coating, pore size and injected gas pressure. Chemosphere, 203, 327-335. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.03.157 ↩
- 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 ↩
- Yasui, K., Tuziuti, T., Izu, N., et al. (2019). Is surface tension reduced by nanobubbles (ultrafine bubbles) generated by cavitation?. Ultrasonics Sonochemistry, 52, 13-18. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.11.020 ↩
- Lasek, L., Krzywanski, J., Skrobek, D., et al. (2023). Review of Micro- and Nanobubble Technologies: Advancements in Theory and Applications and Perspectives on Adsorption Cooling and Desalination Systems. Energies, 16, 8078. https://doi.org/10.3390/en16248078 ↩
- Wang, Y., Wang, T. (2023). Preparation Method and Application of Nanobubbles: A Review. Coatings, 13, 1510. https://doi.org/10.3390/coatings13091510 ↩
- Li, T., Cui, Z., Sun, J., et al. (2021). Generation of Bulk Nanobubbles by Self-Developed Venturi-Type Circulation Hydrodynamic Cavitation Device. Langmuir, 37, 12952-12960. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c02010 ↩
- Syaeful Alam, H., Sutikno, P., Soelaiman, T. A. F., et al. (2022). Population Balance Modeling and Multi‐Response Optimization of a Swirling‐Flow Nanobubble Generator. Chemical Engineering & Technology, 45, 1058-1166. https://doi.org/10.1002/ceat.202100360 ↩
- 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 ↩
- 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 ↩
- Jin, J., Yang, L., Chen, F., et al. (2022). Drug delivery system based on nanobubbles. Interdisciplinary Materials, 1, 471-494. https://doi.org/10.1002/idm2.12050 ↩