体相纳米气泡的性质与应用研究
体相纳米气泡的概念被提出40余年来，有关纳米气泡的研究在怀疑中持续发展。由于现有的气体溶解扩散理论（E-P理论）以及“拉普拉斯压强气泡灾难理论”都不认为纳米气泡可以稳定存在，因此相关研究人员通过寻找各种间接的证据来证明纳米气泡是可以稳定存在的。 本文首先基于合作研究团队自主合成的特异性荧光探针分子C6N4，来探寻纳米气泡可以稳定存在的间接和直接证据。该探针分子只有在气液界面上聚集时才会产生荧光。本文分别对比了超纯水和我们制备的纳米气泡水的脱气过程、粒子浓度以及由探针分子在气液界面上聚集产生的荧光强度。结果显示出纳米气泡水的脱气过程更加剧烈，并且需要更长的脱气时间;纳米气泡水中的粒子浓度为1.13×108个/mL，远远大于超纯水中的粒子浓度（7.74×106个/mL）;纳米气泡水的峰值荧光强度约为超纯水的2.5倍，表明纳米气泡水中存在大量的气液界面。上述三个表征分别从气体含量、粒子浓度和气液界面面积三个方面阐述了纳米气泡水和超纯水的不同，该结果提供了稳定的纳米气泡真实存在的间接证据。此外，在纳米气泡水中加入了探针分子C6N4，随后使用共聚焦激光扫描显微镜获得了由于探针分子聚集在气液界面上而形成的纳米级的荧光球。该实验结果提供了稳定的纳米气泡真实存在的直接证据。上述实验提供了纳米气泡可以稳定存在的间接和直接证据，有助于终结学术界数十年来关于纳米气泡存在与否的争论。 基于上述实验结果，对纳米气泡的性质进行了研究，主要聚焦于纳米气泡是否可以产生羟基自由基或过氧化氢。首先采用了电子自旋共振法对纳米气泡水进行了检测，由于羟基自由基的浓度低于设备的检测下限(10μM/L)，所以并未检测到羟基自由基的存在。后续实验采用荧光分光光度法并使用探针分子对苯二甲酸(PTA)检测到纳米气泡水中羟基自由基的浓度为6.58μM/L，并发现样品的峰值荧光强度随气泡浓度的升高而增大。上述结果表明羟基自由基的产生与纳米气泡有关。后续实验进一步研究了超声空化对羟基自由基含量的影响，结果表明超声空化过程的本身就会产生羟基自由基，但是纳米气泡的存在使得短时间内羟基自由基的浓度进一步增大。本文采用荧光分光光度法并使用探针分子Amplex-Red检测到纳米气泡水中存在过氧化氢，并发现过氧化氢的产生是持续性，这可能与纳米气泡的破裂有关。虽然现有研究认为是在纳米气泡的破裂过程中产生了羟基自由基，但是其形成机理尚未完全明确。 本文在应用方面主要研究了纳米气泡水对豆类种子（绿豆、黄豆和红豆）发芽和生长的影响。实验结果表明，相比较单一的空气纳米气泡水，掺杂有空气纳米气泡的氢气纳米气泡水可以加速种子的发芽过程，进而提高种子的发芽率。此外纳米气泡水可以降低植物幼苗叶片的相对电导率以及促进叶绿素的生成，对植物的生长过程起到保护和促进的作用。对于纳米气泡水导致黄豆幼苗叶片中的叶绿素含量降低，可能是由于纳米气泡水中存在的活性氧自由基超过了植物细胞的毒性阈值，进而对细胞造成了破坏。因此合理调控纳米气泡的浓度和气体组分对于农业增产增收具有重要的价值。
豆类作物;种子发芽;种子生长;体相纳米气泡;稳定性
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
张锋华
2021
中文
S520.32
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）