Ion adsorption stabilizes bulk nanobubbles

水溶液 吸附 化学 化学物理 DLVO理论 Zeta电位 离子 离子强度 朗缪尔 等电点 电解质 泊松-玻尔兹曼方程 热力学 胶体 纳米技术 物理化学 材料科学 纳米颗粒 物理 有机化学 电极
作者
Xiaotong Ma,Mingbo Li,Patricia Pfeiffer,Julian Eisener,Claus‐Dieter Ohl,Chao Sun
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:606: 1380-1394 被引量:63
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2021.08.101
摘要

The mechanism leading to the extraordinary stability of bulk nanobubbles in aqueous solutions remains an outstanding problem in soft matter, modern surface science, and physical chemistry science. In this work, the stability of bulk nanobubbles in electrolyte solutions under different pH levels and ionic strengths is studied. Nanobubbles are generated via the technique of ultrasonic cavitation, and characterized for size, number concentration and zeta potential under ambient conditions. Experimental results show that nanobubbles can survive in both acidic and basic solutions with pH values far away from the isoelectric point. We attribute the enhanced stability with increasing acidity or alkalinity of the aqueous solutions to the effective accumulation of net charges, regardless of their sign. The kinetic stability of the nanobubbles in various aqueous solutions is evaluated within the classic DLVO framework. Further, by combining a modified Poisson-Boltzmann equation with a modified Langmuir adsorption model, we describe a simple model that captures the influence of ion species and bulk concentration and reproduce the dependence of the nanobubble's surface potential on pH. We also discuss the apparent contradiction between quantitative calculation by ion stabilization model and experimental results. This essentially requires insight into the structure and dynamics of interfacial water on the atomic-scale.
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