Submicron gas bubbles in water
Doctoral thesis, 2020
Gas bubbles smaller than 1 micrometre in water, commonly referred to as nanobubbles, is a growing field of research and innovation. Applications range from medical imaging and drug delivery to mining industry and environmental remediation. Despite much activity, important questions remain – which are the mechanisms that allow small gas bubbles to be stable against dissolution and are stable nanobubbles really as common and easily generated as is often claimed?
This work demonstrates that several common nanobubble generation methods can generate particle agglomerates or oil droplets which can be mistaken for bubbles, whereas stable nano- and microbubbles are less easy to generate than commonly believed. The results further suggest that stable bubbles are normally stable due to a shell of surface-active organic compounds, whereas other proposed stability mechanisms are less likely. An unexpected finding was that sorbitan surfactant stabilized air nanobubbles can form long-lived bubble agglomerates.
Holographic Nanoparticle Tracking Analysis (H-NTA) is demonstrated as a powerful new method to detect and differentiate between bubbles and particles in the same dispersion. As H-NTA determines the refractive index of tracked objects, bubbles will differ very significantly from solid particles or oil droplets. The method also enables detection of different populations of particles, agglomerates and oil droplets in the same dispersion.
This work demonstrates that several common nanobubble generation methods can generate particle agglomerates or oil droplets which can be mistaken for bubbles, whereas stable nano- and microbubbles are less easy to generate than commonly believed. The results further suggest that stable bubbles are normally stable due to a shell of surface-active organic compounds, whereas other proposed stability mechanisms are less likely. An unexpected finding was that sorbitan surfactant stabilized air nanobubbles can form long-lived bubble agglomerates.
Holographic Nanoparticle Tracking Analysis (H-NTA) is demonstrated as a powerful new method to detect and differentiate between bubbles and particles in the same dispersion. As H-NTA determines the refractive index of tracked objects, bubbles will differ very significantly from solid particles or oil droplets. The method also enables detection of different populations of particles, agglomerates and oil droplets in the same dispersion.
microbubbles
nanobubbles
ultrafine bubbles
digital holographic microscopy
nanoparticle tracking analysis
PJ salen, Fysikgården 2B
Opponent: Prof. Vincent Craig, Department of Applied Mathematics, Australian National University, Canberra
Author
Fredrik Eklund
Chalmers, Physics, Nano and Biophysics
Fredrik Eklund, Adrian Eriksson, Fredrik Höök, Jan Swenson, Experimental evaluation of the dynamic equilibrium model for stable air nanobubbles in water
Fredrik Eklund, Daniel Midtvedt, Erik Olsén, Fredrik Höök, Jan Swenson, The stability and dynamics of sorbitan surfactant stabilized air nanobubbles investigated with Holographic Nanoparticle Tracking Analysis (H-NTA)
Size and Refractive Index Determination of Subwavelength Particles and Air Bubbles by Holographic Nanoparticle Tracking Analysis
Analytical Chemistry,;Vol. 92(2020)p. 1908-1915
Journal article
Stable Air Nanobubbles in Water: the Importance of Organic Contaminants
Langmuir,;Vol. 34(2018)p. 11003-11009
Journal article
Små luftbubblor, ner till långt under 1 mikrometers storlek är vanligt förekommande i vatten, och har betydelse för vanliga fenomen som kokning och kavitation. Inom medicin används bubblor mindre än 10 mikrometer för kontrast inom ultraljudsavbildning, och har stor potential även för olika medicinska behandlingar. Industriellt används små bubblor för mineralseparation i gruvindustrin, för vattenrening, rengöring, för syresättning av fiskodlingar, bevattningsvatten och syrefattiga vattendrag, med mera.
På senare år har det varit ett stort intresse kring s.k. nanobubblor, som är mindre än 1 mikrometer i diameter, både inom industri och forskning. Den här avhandlingen bidrar till att nyansera bilden av fritt svävande nanobubblor. Små ljusreflekterande partiklar i vatten som kommer ur industriella nanobubbel-generatorer är förmodligen ofta snarare agglomererade partiklar eller oljedroppar än gasbubblor. Långlivade nanobubblor förekommer, men är sannolikt alltid stabiliserade av antingen ett skikt av ytaktiva ämnen (tensider) eller befinner sig på en fast yta eller partikel. En helt fri bubbla i den här storleken löser annars upp sig i vatten inom någon sekund.
För att detektera nanobubblor och särskilja dom från partiklar och oljedroppar har vi inom det här projektet utvecklat en metod att detektera och följa partiklar i ett digital holografiskt mikroskop och bestämma deras brytningsindex. Då gas har ett brytningsindex lägre än vatten medan i princip alla fasta partiklar och oljedroppar har ett högre brytningsindex är det lätt att särskilja bubblor från partiklar och generellt särskilja olika partikeltyper i samma prov. Detta demonstreras för tensid-stabiliserade 0,3 mikrometers luftbubblor samt för ett antal testpartiklar. Principen är inte ny, men vi har nått högre precision för lägre storlekar än tidigare, f.n. är nedre storleksgränsen ca 0,25 mikrometer. Metoden är mycket beräkningstung, men med den snabba tekniska utvecklingen inom elektronisk bildbehandling har den en stor framtida potential.
På senare år har det varit ett stort intresse kring s.k. nanobubblor, som är mindre än 1 mikrometer i diameter, både inom industri och forskning. Den här avhandlingen bidrar till att nyansera bilden av fritt svävande nanobubblor. Små ljusreflekterande partiklar i vatten som kommer ur industriella nanobubbel-generatorer är förmodligen ofta snarare agglomererade partiklar eller oljedroppar än gasbubblor. Långlivade nanobubblor förekommer, men är sannolikt alltid stabiliserade av antingen ett skikt av ytaktiva ämnen (tensider) eller befinner sig på en fast yta eller partikel. En helt fri bubbla i den här storleken löser annars upp sig i vatten inom någon sekund.
För att detektera nanobubblor och särskilja dom från partiklar och oljedroppar har vi inom det här projektet utvecklat en metod att detektera och följa partiklar i ett digital holografiskt mikroskop och bestämma deras brytningsindex. Då gas har ett brytningsindex lägre än vatten medan i princip alla fasta partiklar och oljedroppar har ett högre brytningsindex är det lätt att särskilja bubblor från partiklar och generellt särskilja olika partikeltyper i samma prov. Detta demonstreras för tensid-stabiliserade 0,3 mikrometers luftbubblor samt för ett antal testpartiklar. Principen är inte ny, men vi har nått högre precision för lägre storlekar än tidigare, f.n. är nedre storleksgränsen ca 0,25 mikrometer. Metoden är mycket beräkningstung, men med den snabba tekniska utvecklingen inom elektronisk bildbehandling har den en stor framtida potential.
Subject Categories
Other Chemistry Topics
Condensed Matter Physics
ISBN
978-91-7905-349-9
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4816
Publisher
Chalmers
PJ salen, Fysikgården 2B
Opponent: Prof. Vincent Craig, Department of Applied Mathematics, Australian National University, Canberra