Formation and stability of nanobubbles in aqueous solution

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-09-14

Department

Major/Subject

Bioinformaatioteknologia

Mcode

ELEC3016

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

31

Series

Abstract

Nanobubbles are, as the name suggests, gas bubbles in liquid, whose radii are under 500 nm. Nanobubble technology has varying potential applications. Industrial water treatment and purification uses nanobubbles in their processes and in the medical space nanobubbles are researched to be used as contrast agents for ultrasound imaging. Since 1994, when the concept of nanobubbles was introduced, their existence has been debated in the scientific community. It is now known that nanobubbles do form on surfaces immersed in liquids, and free floating nanobubbles have extensive evidence supporting their existence. Classical thermodynamics indicates that nanobubbles should dissolve faster than they could ever be measured. However, nanobubbles have been observed to last even for weeks in solutions. This creates a mystery to the field that requires new theories and models to explain the phenomenon. This thesis is a literature review, that discusses the properties of nanobubbles, their formation, analysis and possible models of stability. Nanobubbles are categorized into surface nanobubbles and bulk nanobubbles. Surface nanobubbles appear pinned to a surface, whereas bulk nanobubbles float freely in the liquid. Nanobubbles are so small that buoyancy, which usually lifts bubbles toward the surface of the liquid, becomes negligible and the movement of nanobubbles is governed by thermal energy. In addition, nanobubbles have been observed to carry a negative surface charge, that creates a diffuse double layer of ions in their proximity. The surface tension in the bubble interface creates a pressure, that should result in the bubbles dissolving in microseconds.

Nanokuplat ovat nimensä mukaisesti kaasukuplia nesteessä, joiden säde on alle 500 nanometriä. Nanokuplien mahdolliset käyttökohteet ovat laajat. Teollisessa vedenpuhdistuksessa on tutkittu nanokuplien mahdollisuuksia, ja lääketieteessä nanokuplia tutkitaan käytettäväksi varjoaineena ultraäänikuvantamisessa. Vuodesta 1994 lähtien, jolloin nanokuplien konsepti esiteltiin ensimmäistä kertaa, niiden olemassaolosta on väitelty tiedeyhteisössä. Nykyään tiedetään, että nesteisiin upotettujen pintojen päälle voi muodostua nanokuplia, ja vapaasti nesteessä olevien nanokuplien olemassaolon tukena on runsaasti todistusaineistoa. Klassisten termodynaamisten teorioiden mukaan nanokuplien pitäisi hajota nesteeseen nopeammin kuin niitä voitaisiin havaita. Nanokuplien on kuitenkin havaittu pysyvän stabiileina nesteessä jopa viikkojen ajan, joka luo alalle kysymyksen, joka vaatii uusia teorioita saadakseen vastauksen. Tämä kandidaatintyö käsittelee nanokuplien ominaisuuksia, muodostumista, analysointia sekä mahdollisia vakautusmekanismeja, jotka voisivat olla vastuussa nanokuplien pitkästä elinajasta. Nanokuplat voidaan jakaa karkeasti kahteen kategoriaan: pintananokupliin ja bulkkinanokupliin. Pintananokuplat esiintyvät nesteen ja jonkin kiinteän pinnan rajassa, ja bulkkinanokuplat esiintyvät nesteessä vapaasti. Nanokuplat ovat niin pieniä, että noste, jonka vaikutuksesta suuremmat kuplat nousevat nesteen pintaan, ei riitä, vaan vapaat nanokuplat pysyvät nesteessä ja niiden liikettä määrää terminen energia. Nanokuplilla on huomattu myös olevan negatiivinen pintavaraus, joka luo jokaisen kuplan ympärille diffuusin kaksoisioniverhon. Kaasun ja nesteen välinen pintajännitys luo kuplan sisälle säteestä kääntäen riippuvan paineen, jonka vuoksi teoreettisesti kaikkien nanokuplien pitäisi hajota mikrosekunneissa.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Koskelainen, Ari

Keywords

nanobubbles, stability mechanism, nucleation

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410016549

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC