Nanobobler forblir svevende fordi oppdriften taper mot alt annet som skjer rundt dem. En gassboble under 200 nm er så liten at løftekraften blir mindre enn både vannmotstanden og de tilfeldige støtene fra vannmolekylene den ligger mellom. Hvorfor nanobobler forblir svevende har derfor et fysisk svar og ikke et markedsføringssvar: under en viss boblestørrelse skifter det hvilke krefter som bestemmer, og gassen blir værende i vannet i dager til uker i stedet for sekunder.
Hva er det korte svaret på hvorfor nanobobler forblir svevende?
Tre mekanismer virker samtidig, og ingen av dem forklarer stabiliteten alene.
- Oppdriften blir nesten borte. Volumet — og dermed løftekraften — krymper langt raskere enn selve boblen.
- Vannmotstanden overtar. Den lille netto løftekraften som er igjen, bremses av vannet før boblen rekker noen vei oppover.
- Overflateladningen holder boblene fra hverandre. Nanobobler bærer et sterkt negativt zetapotensial. Bobler som frastøter hverandre, slår seg ikke sammen til større bobler som kunne ha steget.
Til sammen gir det en gassfase som oppfører seg mer som et oppløst stoff enn som bobler. Den følger vannet dit vannet går — gjennom pumper, rør og kar — i stedet for å samle seg som skum på overflaten. Grunnbegrepene bak dette er samlet i artikkelen om hva nanobobler er.
Hvorfor slutter oppdriften å virke når boblen blir liten nok?
En luftboble du kan se med øyet, stiger fordi den er lettere enn vannet rundt seg. Hvor fort den stiger, følger Stokes' lov, og det er skaleringen i den loven som gjør nanobobler til noe kvalitativt annet: stigehastigheten faller med kvadratet av radien. Halver radien, og hastigheten faller til en fjerdedel. Krymp boblen fra millimeter til nanometer, og du sitter ikke igjen med en boble som stiger sakte — du sitter igjen med en bevegelse som drukner i alt annet.
«Alt annet» er først og fremst Brownsk bevegelse. Vannmolekylene dunker borti boblen fra alle kanter hele tiden, og på nanometerskala er de tilfeldige støtene kraftigere enn den vesle oppdriften som er igjen. Boblen driver. «Opp» slutter å være et meningsfullt begrep for den.
| Mekanisme | Millimeterboble | Nanoboble (under 200 nm) |
|---|---|---|
| Oppdrift | Dominerer; boblen stiger synlig | Nesten borte; boblen er praktisk talt nøytralt oppdriftig |
| Vannmotstand | Beskjeden i forhold til løftekraften | Større enn løftekraften som er igjen |
| Brownsk bevegelse | Uten praktisk betydning | Flytter boblen mer enn oppdriften gjør |
| Overflateladning | Betyr lite for levetiden | Sterkt negativt zetapotensial hindrer at boblene slår seg sammen |
| Levetid i vannet | Sekunder | Dager til uker |
| Gassoverføring | Skjer i et kort vindu før boblen brister | Skjer kontinuerlig gjennom et stort samlet grenseflateareal |
Den nederste raden er den som gjør fysikken kommersielt interessant. Når gassen blir i vannet i stedet for å forsvinne ut i lufta, får du et enormt samlet grenseflateareal mellom gass og væske, og det er dette arealet som driver overføringen. Det er også bakgrunnen for at NanoMAR kan oppgi 40 %+ høyere oksygenoverføring uten at noe tilsettes vannet.
Hva gjør overflateladningen med nanoboblene?
Størrelsen alene ville ikke holdt. Små bobler som møtes, kan slå seg sammen, og to bobler som blir til én større, er på vei mot overflaten igjen. Det som hindrer dette, er ladningen: nanobobler bærer et sterkt negativt zetapotensial, og likt frastøter likt. Boblene holder avstand i stedet for å koalescere, og størrelsesfordelingen forblir dermed den den var.
Dette er ikke noe NanoMAR har funnet på. I Langmuir-artikkelen «On the Existence and Stability of Bulk Nanobubbles» måler Nirmalkar, Pacek og Barigou et stabilt negativt zetapotensial over tid, og peker på nettopp ladningen som den sannsynlige årsaken til at suspensjonen ikke bryter sammen. En nyere gjennomgang av stabilitetsmekanismene for nanobobler i bulk lander på det samme bildet.
Den samme ladningen gjør en jobb til. Et negativt ladet grensesnitt trekker til seg partikler og oppløste forbindelser, og når boblen til slutt beveger seg oppover, følger lasten med. Det er mekanismen bak flotasjon og partikkelfjerning i nanoboble-teknologien, og forklaringen på at det samme utstyret både oksygenerer og renser. Ingenting doseres, så det er heller ingen restprodukter å håndtere etterpå.
Hva betyr det i praksis i et anlegg?
I et resirkulerende akvakultursystem passerer det samme vannet det samme punktet igjen og igjen. En vanlig boble gjør nytte for seg én gang: den stiger, brister, og er borte. En nanoboble er fortsatt i vannet neste gang det kommer forbi, og gassen den bærer, er fortsatt tilgjengelig. Der ligger forskjellen mellom å dosere gass og å tilføre en gassfase som blir værende. Hvordan dette spiller inn i en komplett krets, med biofilter og CO₂-avgassing, er gjennomgått i guiden om nanobobler i RAS-anlegg.
Ser du melkehvitt vann, ser du mikrobobler. Nanobobler er usynlige — vannet skal se klart ut.
Hva svekker stabiliteten, og hva bør du sjekke?
Stabiliteten er ingen garanti. Den er en balanse mellom krefter, og balansen kan forskyves av vannet ditt eller av hvordan anlegget er satt opp. Dette er punktene jeg går gjennom når noen lurer på om systemet faktisk gjør jobben sin:
- Ikke bruk utseendet som fasit. Melkehvitt vann er mikrobobler på vei opp. Klart vann er ingen indikasjon på at det ikke virker, og hvitt vann er ingen kvittering på at det gjør det.
- Vurder ionestyrken. Høy saltholdighet skjermer den elektrostatiske frastøtingen mellom bobler. Sjøvann og brakkvann er ikke det samme som ferskvann i denne sammenhengen, og det hører hjemme i dimensjoneringen — ikke i etterpåklokskapen.
- Se på tilsatte kjemikalier. Koagulerings- og flokkuleringsmidler er laget for å nøytralisere ladning. De skiller ikke mellom en partikkel og en nanoboble.
- Sjekk hvor i kretsen gassen settes inn. Et innsettingspunkt rett oppstrøms for et trinn som lufter av eller skummer, kaster bort en del av gassfasen du nettopp har laget.
- Mål effekten, ikke boblene. Oksygenprofil gjennom kretsen, turbiditet og partikkelbelastning før og etter. Boblestørrelse er en laboratoriemåling, ikke et driftstall.
Ofte stilte spørsmål
Hvor lenge forblir nanobobler svevende i vann?
Nanobobler holder seg svevende i dager til uker, mot sekunder for en vanlig boble. Årsaken er at en gassboble under 200 nm er praktisk talt nøytralt oppdriftig og bæres med vannstrømmen i stedet for å stige. NanoMAR bygger nanoboblesystemer på nettopp denne levetiden, uten at noe doseres i vannet.
Hvorfor stiger ikke nanobobler til overflaten slik vanlige bobler gjør?
Stigehastigheten til en boble faller med kvadratet av radien, og for en nanoboble blir oppdriften mindre enn vannmotstanden og de Brownske støtene fra vannmolekylene rundt. Et sterkt negativt zetapotensial hindrer i tillegg at boblene slår seg sammen til større bobler. Nanobobler fra NanoMAR følger derfor vannet i stedet for å stige.
Kan man se nanobobler i vannet?
Nei. En nanoboble er under 200 nm og sprer for lite lys til å være synlig, så vann behandlet med nanobobler fra NanoMAR ser klart ut. Melkehvitt vann er mikrobobler som stiger og brister i løpet av sekunder. Effekten dokumenteres med oksygenmålinger og turbiditet, ikke med øyet.
Etter seks pluss år på internasjonale vannbehandlingsprosjekter i akvakultur er dette punktet jeg selv har tatt mest feil om. I min egen erfaring var det alltid lettere å tro på det jeg kunne se. Første gang jeg sto foran et kar som kjørte nanobobler, lette jeg etter skyen i vannet. Den kom aldri. Jeg ba faktisk om å få skru opp gassmengden — ikke fordi noe måltall sa det, men fordi vannet så for klart ut. Den beslutningen tok vi tilbake samme dag. Det jeg lærte den harde veien, er at nanobobler ikke gir deg noe å se på. De gir deg en oksygenprofil gjennom kretsen som ser annerledes ut enn den gjorde dagen før. Så nå begynner jeg i motsatt ende: en oksygenprofil før, den samme profilen etter, og turbiditeten ved siden av. Utseendet på vannet har jeg sluttet å bruke til noe som helst.
Har du et vann du lurer på om dette passer til, holder det med en skisse av kretsen og en beskrivelse av hva vannet gjør i dag. Ta kontakt, så går vi gjennom det sammen.
