Propiedades fisicoquímicas clave
¿Qué propiedades hacen que las nanoburbujas se comporten distinto de las burbujas comunes?
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Carga superficial y potencial zeta
Las nanoburbujas en agua tienen una carga superficial negativa. El , es decir, el potencial eléctrico en el plano de deslizamiento que rodea la burbuja, se ubicó en general entre −20 mV y −50 mV a pH neutro. Esa carga se debe en gran parte a la adsorción preferencial de iones hidróxido (OH⁻) en la interfaz gas-líquido Hewage et al., 2021; Ushikubo et al., 2010.
La magnitud de ese potencial se usa como indicador de estabilidad. Los valores absolutos altos, superiores a 30 mV, generan una repulsión electrostática suficiente para evitar que las burbujas se fusionen y se agreguen, de modo que pueden permanecer dispersas durante períodos prolongados Akshit et al., 2024. Es la misma carga en la que se apoya el modelo de estabilidad por carga superficial, descrito en Mecanismos de generación y estabilidad.
El potencial no es fijo: cambia con el agua. Se vuelve menos negativo, o incluso positivo, en condiciones ácidas; varía según el gas contenido en la burbuja, y depende de la fuerza iónica Ahmed et al., 2018; Takahashi et al., 2021.
Especies reactivas de oxígeno
Se ha informado que las burbujas que colapsan generan (ERO). El radical principal informado es el radical hidroxilo (·OH), aunque también se identificaron aniones superóxido (O₂•⁻) y oxígeno singlete (¹O₂) Liu et al., 2016; Takahashi et al., 2007.
Los radicales se forman durante el colapso, cuando la burbuja se contrae y desaparece. Se han propuesto dos mecanismos para explicar cómo ocurre.
Compresión adiabática
La contracción rápida comprime el gas del interior de la burbuja y lo calienta. Los artículos de revisión citan temperaturas locales de hasta 5.000 K, junto con presiones elevadas, que descomponen térmicamente el vapor de agua en radicales Agarwal et al., 2011; Akshit et al., 2024.
Acumulación iónica
A medida que la burbuja se contrae, la densidad de iones en su interfaz, en particular H⁺ y OH⁻, aumenta de forma marcada. Cuando la burbuja colapsa, la energía eléctrica almacenada en esa carga acumulada se libera y desencadena la formación de radicales. Esta vía se estudió mediante resonancia de espín electrónico (ESR, por sus siglas en inglés) con captadores de espín, en nanoburbujas en volumen dentro de soluciones electrolíticas Takahashi et al., 2021.
Transferencia de masa
Las nanoburbujas transfieren gas al agua más rápido que las burbujas más grandes. Estudios y revisiones informaron tasas de significativamente más altas para las nanoburbujas que para las macroburbujas, debido a su área superficial específica (ASE) muy grande en relación con su volumen Fan et al., 2010; Akshit et al., 2024.
La presión interna refuerza este efecto. La alta presión interna (de Laplace) de una nanoburbuja aumenta la solubilidad de su gas en el líquido circundante, según la ley de Henry, lo que permite formar soluciones sobresaturadas sin una rápida liberación del gas Ebina et al., 2013.
Qué significa en la práctica
En la práctica, cada propiedad remite a una medición y no a un supuesto. El potencial zeta cambia con el pH, la fuerza iónica y el gas, por lo que un valor medido en agua pura en un laboratorio dice poco sobre el agua de un sitio: conviene medirlo en el agua que realmente se va a tratar, registrando al mismo tiempo el pH y la conductividad.
La formación de radicales se infiere con métodos especializados, como la ESR con captadores de espín mencionada arriba, no con análisis de agua de rutina. Si a un sitio le interesa la oxidación, debería buscar cambios medidos en el compuesto de interés, con un control sin tratar, en lugar de suponer que hay radicales presentes.
Para la transferencia de gas, registre el (oxígeno disuelto) en mg/L a lo largo del tiempo frente a un control con aireación convencional o sin tratar, y anote la temperatura del agua, ya que la solubilidad de los gases depende de ella. Una sonda de OD mide el gas disuelto, no las burbujas; por eso conviene complementarla con la caracterización de burbujas, como se describe en Caracterización y medición.
Límites y preguntas abiertas
El rango de potencial zeta y el umbral de 30 mV provienen de muestras de laboratorio y de una revisión; el umbral indica estabilidad, pero no la demuestra, y los valores en agua con alta fuerza iónica o con materia orgánica pueden ser distintos.
La cifra de 5.000 K se cita de artículos de revisión, no de una medición directa en una suspensión de nanoburbujas en volumen. Parte de la evidencia sobre radicales proviene del colapso de microburbujas, y la lección no informa concentraciones de radicales, de modo que no permite saber cuántas ERO se forman en el agua tratada. Un estudio apunta en sentido contrario: nanoburbujas de oxígeno en reposo, a temperatura ambiente, no degradaron el ácido benzoico, un captador de radicales hidroxilo, en 24 horas, y la resonancia paramagnética electrónica no detectó señal de radical hidroxilo; los autores también encontraron que una sonda fluorescente daba un falso positivo Chae et al., 2023.
La comparación de transferencia de masa es cualitativa: la lección no informa ningún coeficiente de transferencia ni eficiencia de transferencia de oxígeno para ningún dispositivo.
Preguntas
¿Qué es el potencial zeta y por qué importa en las nanoburbujas?
Es el potencial eléctrico en el plano de deslizamiento que rodea una burbuja. En las nanoburbujas se midió en general entre −20 mV y −50 mV a pH neutro. Una magnitud superior a 30 mV se cita como repulsión suficiente para evitar que se fusionen, lo que ayuda a explicar por qué permanecen dispersas.
¿Las nanoburbujas producen radicales libres?
Los estudios informaron radicales, sobre todo hidroxilo, al colapsar las burbujas, y también identificaron superóxido y oxígeno singlete. Se proponen dos mecanismos: el calentamiento por compresión rápida y la liberación de la carga concentrada en una interfaz que se contrae. La lección no informa concentraciones, así que la cantidad en agua tratada no está establecida.
¿Por qué las nanoburbujas transfieren gas al agua con eficiencia?
Su área superficial es muy grande en relación con su volumen, y su alta presión interna aumenta la solubilidad del gas a su alrededor. Los estudios informaron tasas de transferencia de masa más altas que con macroburbujas. La comparación es cualitativa, por lo que un sitio debería registrar el oxígeno disuelto frente a un control.
Referencias
- 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 ↩
- Ushikubo, F. Y., Furukawa, T., Nakagawa, R., et al. (2010). Evidence of the existence and the stability of nano-bubbles in water. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 361, 31-37. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2010.03.005 ↩
- 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 ↩
- 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 ↩
- 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 ↩
- 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 ↩
- 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 ↩
- 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 ↩
- Takahashi, M., Shirai, Y., Sugawa, S. (2021). Free-Radical Generation from Bulk Nanobubbles in Aqueous Electrolyte Solutions: ESR Spin-Trap Observation of Microbubble-Treated Water. Langmuir, 37, 5005-5011. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00469 ↩
- 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 ↩
- Chae, S. H., Kim, M. S., Kim, J. H., et al. (2023). Nanobubble Reactivity: Evaluating Hydroxyl Radical Generation (or Lack Thereof) under Ambient Conditions. ACS ES&T Engineering, 3, 1504-1510. https://doi.org/10.1021/acsestengg.3c00124 ↩