Schéma de la plate-forme de récipient sous pression. (A) Les quatre sections principales sont le fournisseur de gaz, borne de distribution, la cellule de pression elle-même, et veste de régulation de température. Des gaz de haute pureté (niveau N5) (méthane et O2) sont fournis au 0,34 litre, Cuve inox 200 bars et culbuteur via le terminal de distribution, avec nettoyage des conduites avant purge du gaz souhaité, au moyen d'un contrôleur de débit massique et d'une mesure précise de la charge de gaz dans le récipient chargé d'eau désionisée. Le système fonctionne sous des modes à volume constant, avec la vanne d'admission fermée lorsque la pression souhaitée (~90 bar) est atteinte, et la pression enregistrée numériquement chaque seconde pendant la durée de l'expérience. Un système de contrôle de la température fonctionne dans une enveloppe autour de la cuve (maintenue à 20°C). Une alimentation en courant électrique de 60 V CC a été introduite via des fils gainés (empêchant le contact direct fil-eau) dans un plastique imprimé en trois dimensions (B), support monté horizontalement immergé dans l'eau. (Crédit photo :Mohammad Reza Ghaani.) Crédit :Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaz0094
Les nanobulles peuvent exister sur des surfaces solides ou dans des liquides en vrac sous forme de domaines gazeux nanoscopiques. Le phénomène a attiré une attention considérable en raison de la (méta)stabilité à long terme et du potentiel d'applications pratiques. Dans un nouveau rapport, Mohammad Reza Ghaani et une équipe de chercheurs en chimie et en génie des bioprocédés en Irlande et au Canada ont utilisé une nouvelle approche pour explorer la surface de la formation de nanobulles électrostatiques (NB). Ils ont observé la stabilité des constructions en appliquant des champs électriques externes dans des systèmes gaz-liquide pour observer l'absorption massive de gaz dans le liquide sous forme de nanobulles. Pendant une période de plusieurs mois, la solubilité du gaz augmentée de 2,5 fois pour l'oxygène à 30 fois pour le méthane, basé sur les valeurs de la loi d'Henry pour la solubilité du gaz, c'est-à-dire plus le gaz est hydrophobe, plus l'apport est important. En utilisant des solutions de dynamique moléculaire, Ghaani et al. a révélé l'origine du mouvement de NB pour résulter de la diélectrophorèse, tandis que la stabilité substantielle de NB provient des interactions de polarisation de surface. L'ouvrage est désormais publié sur Avancées scientifiques .
Les nanobulles sont des formes gazeuses nanoscopiques qui peuvent exister sur des surfaces solides ou dans des liquides en vrac. Les NB en vrac peuvent être présents dans la plupart des solutions aqueuses en raison de l'agitation constante et du rayonnement cosmique - attirant une attention particulière pour les applications de nettoyage nanoscopique, pour contrôler le glissement aux limites en microfluidique, traitement des eaux usées, hétérocoagulation et médecine. Les scientifiques attribuent la présence de longue durée de NB à l'accumulation de charges négatives à l'interface bulle/liquide et à une forte affinité électronique à la surface. Indépendamment du diamètre NB, la répulsion mutuelle entre les NB dans l'eau est suffisamment grande pour empêcher la coalescence et ralentir la montée en flottabilité. Les scientifiques peuvent réguler la taille des NB en présence d'agents tensioactifs et utiliser les bulles enrobées résultantes comme agents de contraste ultrasonores ou pour l'administration ciblée de médicaments.
Dans ce travail, Ghaani et al. abordé les facteurs fondamentaux régissant le pH du NB, nature sensible aux champs ioniques et magnétiques, y compris l'électrostatique de surface. Ils visaient à déterminer si les champs électriques appliqués de l'extérieur pouvaient manipuler, dicter, contrôler et améliorer la formation du NB. Si de telles forces externes avaient un effet, ils ont étudié leur coût énergétique et les altérations électro-induites. Lorsque l'équipe a appliqué une faible énergie électrique, ils ont observé une augmentation massive et rapide de l'hébergement métastable du gaz NB dans l'eau. Les scientifiques ont étudié si les premiers résultats de l'étude pour la génération de NB se sont produits dans le liquide en vrac ou à l'interface liquide et ont identifié le phénomène comme étant dû aux NB en vrac à l'aide d'un outil de détection/diagnostic de NB de sondage en vrac.
Prise de gaz en fonction du temps. Résultats affichés pour l'oxygène (A) et le méthane (B) à 60 V (avec une intensité de champ moyenne de 12 kV/m), exprimés en multiple de leurs HLC respectives (axe de droite) et en g/litre (axe de gauche) à des pressions ambiantes dominantes d'environ 90 bars ; plateaux se sont produits en moins de 3 heures. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz0094
L'équipe a d'abord placé de l'eau déminéralisée dans un récipient sous pression et a alimenté du gaz pur à ~ 90 bar, fermé la cuve et régulé la température du système. Lorsque l'installation a atteint le niveau de solubilité dans les gaz de la loi d'Henry en deux heures, ils ont activé un champ électrique statique externe soutenu à l'intérieur de l'eau liquide à l'aide d'une source de courant continu (CC) de 60 V. Dans les trois heures ou moins, ils ont atteint un plateau d'absorption de gaz très élevé dans l'eau et ont noté un flux de molécules de gaz forment la phase gazeuse en vrac dans le liquide pendant la formation de NB, faisant chuter la pression. Relativement, l'énergie requise pour former des NB à l'aide de champs électriques était extrêmement faible et indiquait des niveaux extraordinairement élevés d'efficacité énergétique.
Par exemple, l'énergie nécessaire pour former des NB était égale à 0,3 W heure/m 3 ; bien inférieur à celui des systèmes avancés tels que les industries des eaux usées (~40 W heure/m 3 ). Par ailleurs, tandis que l'aération des eaux usées permettait généralement d'environ 1 à 2 mg/litre d'oxygène dissous, l'équipe a atteint environ 25 à 35 mg/litre d'oxygène dissous avec des NB métastables pendant des mois. En utilisant la dynamique moléculaire hors d'équilibre (NEMD) Ghaani et al. puis a exploré les mécanismes moléculaires sous-jacents à l'augmentation surprenante de l'accommodation des gaz observée expérimentalement dans l'eau. Il est apparu que plus le gaz est hydrophobe, plus l'effet de champ électrique est accentué pour amplifier l'augmentation massive de la capacité à former des NB en vrac. Les résultats suggèrent également que la formation de NB peut être dominée cinétiquement.
Formation de NB et amélioration de la stabilité qui s'ensuit via des champs électriques statiques appliqués dans le NEMD. (A) En commençant par des molécules de propane solvatées individuellement dans l'eau (en haut), l'application sur le terrain conduit à la formation de NB :le panneau inférieur montre les NB dans les 3 ns d'un champ (1,5 V/nm). (B) Évolution de la surface de la bulle accessible aux molécules d'eau ; l'augmentation de la stabilité NB est évidente - 1,5 V/nm favorise facilement la formation de NB, avec une superficie supérieure, stable pendant plus de 10 ns. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz0094
L'équipe a ensuite effectué des simulations NEMD (dynamique moléculaire hors d'équilibre) pour le propane et le méthane dans l'eau et a observé des résultats similaires pour les deux gaz. Pendant la simulation, Ghaani et al. appliqué des champs externes d'intensité bien supérieure à ceux utilisés pour les expériences pour observer des résultats crédibles avec un rapport signal sur bruit minimal, pour plus de millions d'atomes NEMD, couvrant des dizaines de nanosecondes. Les champs plus intenses favorisaient facilement la formation de NB avec une surface plus élevée dans la simulation.
Puisque la stabilité à long terme du NB est bien connue, l'équipe a étudié la métastabilité des NB après élimination sur le terrain et exposition à la pression ambiante. Pour comprendre si les NB sont localisés en surface ou distribués en vrac, l'équipe a utilisé la diffusion de la lumière dispersive (DLS) comme méthode de sondage en vrac et a détecté des NB dans tout le liquide en vrac. Cependant, les scientifiques ont également noté des bulles de taille micro à macro exceptionnellement transitoires à la surface du polytétrafluoroéthylène (PTFE) dans le système nées de la nucléation de bulles à l'échelle nano à micron après l'application d'un champ électrique. Ghaani et al. observé l'excès d'oxygène eau/gaz localisé des bulles pour se déstabiliser mécaniquement dans les six heures, tandis qu'une perte limitée de bulles en vrac s'est produite après six à 50 heures. Après une période de quatre mois, les NB restants agrandis en taille telle que mesurée avec DLS (diffusion de la lumière dispersive).
Détection NB via diffusion dynamique de la lumière (Malvern Zetasizer Pro); cela utilise les fluctuations de la diffusion de la lumière laser traversant la solution échantillon. Les mesures sont toutes effectuées 12 à 24 heures après la dépressurisation et le retrait sur le terrain. La mesure a été répétée trois fois sur trois échantillons pour une meilleure précision. Un échantillon témoin a également été mesuré avec le même procédé expérimental sauf en l'absence de champ. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz0094
De cette façon, Mohammad Reza Ghaani et ses collègues ont observé la première preuve de l'étude de la formation de NB en vrac avec une plus grande amélioration pour les gaz plus hydrophobes. La découverte aura un impact important sur la fermentation, industries de la brasserie et du traitement des eaux usées. L'équipe propose des travaux supplémentaires pour comprendre les mécanismes derrière la cinétique de génération de NB ainsi que la stabilisation de NB par la suite. L'équipe de recherche a réalisé des « liquides nanoporeux » dans ce travail en raison de la présence de liquides poreux ou « troués » avec des NB de gaz d'une manière simple et facile.
NB évolution sous ambiance, Conditions STP après suppression du champ. (A) Perte de masse à double régime au cours des 50 premières heures lors du retrait sur le terrain et du stockage dans des conditions de température/pression ambiantes. (B) Evolution in methane-bubble Sauter mean diameter over a 4-month period (three replicas for each measurement); very slow bubble growth is seen. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz0094
© 2020 Réseau Science X
