CHARACTERISTICS OF AN ELECTRICAL DOUBLE LAYER OF BULK NANOBUBLES IN WATER

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

When analyzing the characteristics of the electrical double layer of bulk nanobubbles in water, the conditions for the existence of their Stern layer are found. It is taken into account that the surface of the bubble is surrounded by a thin layer of “bound” water, on top of which the counterions of the Stern layer are placed. The stability of this layer depends on two factors: the minimization of the Gibbs energy of counterions in the diffuse layer and the energy of their thermal motion, which is capable of pulling the counterion out of the Stern layer and returning it to the region of the diffuse layer. The charge of nanobubbles has been determined, which corresponds to both the minimum Gibbs energy of counterions and the thermal stability of the Stern layer. The dependence of the critical radius of the stable Stern layer on the concentration of dissolved salts is determined.

About the authors

YU. K. LEVIN

Institute of Applied Mechanics of Russian academy of Science (IAM RAS), Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: iam-ras@mail.ru
Россия, 125040, Москва, Ленинградский просп., д. 7, стр. 1

References

  1. Chaplin M. Water Structure and Science, Web site: www1.lsbu.ac.uk/water/water_ structure_science.html (2018).
  2. Nazary S., Hassanzadeh A., He Y., Khoshdast H., Kowalczuk P.B. Recent developments in generation, detection and application of nanobubbles in flotation // Minerals. 2022. V. 12. № 4. P. 462. https://doi.org/10.3390/min12040462
  3. Nirmalkar N., Pacek A.W., Barigou M. On the existence and stability of bulk nanobubbles // Langmuir. 2018. V. 34. № 7. P. 10964–10973. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b01163
  4. Singh S.B., Shukla N., Cho C.H., Kim B.S., Park M.H., Kim K. Effect and application of micro- and nanobubbles in water purification // Toxicology and Environmental Health Sciences. 2021. V. 13. P. 9–16. https://doi.org/10.1007/s13530-021-00081-x
  5. Гамаюнов Н.И. Воздействие постоянного магнитного поля на движущиеся растворы и суспензии // Коллоидный журнал. 1994. Т. 56. № 2. С. 290–298.
  6. Kelsall G.H., Tang S., Yurdakult S., Smith A.L. Electrophoretic behaviour of bubbles in aqueous electrolytes // J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1996. V. 92. № 20. P. 3887–3893.
  7. Meegoda J.N., Hewage S.A., Batagoda J.H. Stability of nanobubbles // Environmental Engineering Science. 2018. V. 35. № 11. P. 1216–1227. https://doi.org/10.1089/ees.2018.0203
  8. Koshoridze S.I., Levin Yu.K. Comment on “Can bulk nanobubbles be stabilized by electrostatic interaction?” by S. Wang, L. Zhou and Y. Gao // Physical Chemistry Chemical Physics. 2022. V. 24. P. 10622–10625.
  9. Chan D.Y.C., Mitchell D.J. The free energy of an electrical double layer // J. Colloid Interface Sci. 1983. V. 95. № 1. P. 193–197. https://doi.org/10.1016/0021-9797(83)90087-5
  10. Бункин Н.Ф., Бункин Ф.В. Бабстонная структура воды и водных растворов электролитов // Успехи физических наук. 2016. Т. 186. № 9. С. 933−952. https://doi.org/10.3367/UFNr.2016.05.037796
  11. Hewage S.A., Kewalramani J., Meegoda J.N. Stability of nanobubbles in different salts solutions // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021. V. 609. P. 125669. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2020.125669
  12. Meegoda J.N., Hewage S.A., Batagoda J.H. Application of the diffused double layer theory to nanobubbles // Langmuir 2019.V 35. № 37. P. 12100−12112. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b01443
  13. Lopez-Garsia J.J., Moya A. A., Horno J., Delgado A. Lez-Caballero F.G. A network model of the electrical double layer around a colloid particle // J. Colloid Interface Sci. 1996. V. 183. P. 124–130. https://doi.org/10.1006/jcis.1996.0525
  14. Ma X., Li M., Pfeiffer P. Ion adsorption stabilizes bulk nanobubbles // J. Colloid Interface Sci. 2022. V. 606. P. 1380–1394. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.101
  15. Wang H., Varghese J., Pilon L. Simulation of electric double layer capacitors with mesoporous electrodes: Effects of morphology and electrolyte permittivity // Electrochim. Acta. 2011. V. 56. P. 6189–6197. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.03.140
  16. Kyzas G.Z. From bubbles to nanobubbles // Nanomaterials. 2021. V. 11. № 10. P. 2592. https://doi.org/10.3390/nano11102592
  17. Leroy P. A double layer model of the gas bubble/water interface // J. Colloid Interface Sci. 2012. V. 388. № 1. P. 243–256. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2012.07.029
  18. Brown M.A., Goel A., Abbas Z. Effect of electrolyte concentration on the Stern layer thickness at a charged interface // Angew. Chem. Int. Ed. 2016. V. 55. P. 3790–3794. https://doi.org/10.1002/anie.201512025
  19. Fumagalli L., Esfandiar A., Fabregas R., et al. Anomalously low dielectric constant of confined water // Science. 2018. V. 360. № 6395. P. 1339–1342. https://doi.org/10.1126/science.aat41
  20. Velasco-Velez J.-J. The structure of interfacial water on gold electrodes studied by X-ray absorption spectroscopy // Science. 2014. V. 346. № 6211. P. 831–834. https://doi.org/10.1126/science.1259
  21. Левин Ю.К. Условия стабильности слоя Штерна объемных нанопузырей в воде // Изв. вузов. Физика. 2022. Т. 65. № 12. С. 55–59.
  22. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. вузов / под ред. Стромберга А.Г. 4-е изд., испр. М.: Высшая школа, 2001.
  23. John A. Dean. Lange’s Handbook of Chemistry Tennessee, Knoxville Fifteenth Edition, McGraw-hill, Inc. 1999.
  24. Lipus L.C., Krope J., Crepinsek L. Dispersion destabilization in magnetic water treatment // J. Colloid Interface Sci. 2001. V. 236. № 1. P. 60–66. https://doi.org/10.1006/jcis.2000.7392

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (641KB)
Indexing metadata
3.

Download (35KB)
Indexing metadata
4.

Download (22KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Ю.К. Левин

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».