Химия

Группа американских исследователей описала и исследовала концепцию, объясняющую способность наноразмерных пузырьков газов находиться в жидкостях длительное время. Свою теорию ученые подтвердили экспериментально.

Газы играют важную роль во многих химических реакциях, а один из способов их удержания в растворах — формирование пузырьков. В сравнении с крупными пузырьками нанопузырьки, диаметром меньше человеческого волоса, запирают газ в себе на более долгий период — на месяцы. Это дает больше времени для протекания химических реакций.

«Когда приходится вводить газ в раствор промышленных масштабах, мы хотим минимизировать его потери и максимально использовать для химических реакций. Наша главная цель — удерживать газ в растворе как можно дольше, в идеале — бесконечно, чтобы он не выходил из раствора и пузырьки не лопались», — объяснил интерес группы к исследованию доктор Хамидреза Самуи (Hamidreza Samouei).

Группа исследователей из Техасского университета A&M изучила причины стабильности нанопузырьков. Результаты их работы опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry.

Ученые выяснили, что стабильность нанопузырьков в значительной степени определяют их электрические заряды и взаимодействие этих зарядов с растворителем. На стабильность пузырьков также влияют добавки, присутствующие в растворе. Авторы статьи представили данные о нанопузырьках азота, кислорода, гелия, n-бутана и углекислого газа.

Команда химиков подтвердила жизнеспособность своей концепции экспериментально. Результаты показали, как стабильность нанопузырьков зависит от полярности растворителя, величины дипольного заряда нанопузырьков и адсорбции ионов добавок. Взаимодействие этих трех факторов оказалось определяющим для вероятности слипания нанопузырьков в более большие и менее стабильные.

Способность нанопузырьков удерживать газ в растворе делает возможными и эффективными очистку сточных вод, гидропонное выращивание растений и дезинфекцию. При использовании нанопузырьков в гидропонике производители получают больший урожай, чем если выращивают те же растения без внимания к размерам пузырьков газов. Нанопузырьки увеличивают содержание кислорода в воде, создавая оптимальные условия для роста многих культур.

Понимание стабильности нанопузырьков — часть более крупного исследовательского проекта. Ученые вводят углекислый газ в солевые растворы для извлечения из них различных минералов. Этот метод, известный как добыча из рассолов, позволяет получать минералы, которые используются, например, в производстве литиевых батарей и магниевых удобрений. Исследователи поняли, как продлить срок жизни нанопузырьков, что поможет сделать их ключевым инструментом в добыче минералов из рассолов.