[신기술] 삼육대, 초고안정성 나노버블 연구…200nm 이하 나노버블 높은 안정성 보여

다양한 조건에서 물 속 200nm 이하의 고농도 나노 버블의 수와 안정성 조사

『Applied Water Science』저널 13권 7호에 게재

수중 안정성이 매우 높은 200nm 이하 나노버블 평가 [사진제공 = 삼육대학교]

 

나노버블(NB)은 뛰어난 안정성으로 산업, 농업 및 수처리 응용 분야에 활용될 가치가 있다. 그러나 NB의 안정성에 대한 메커니즘은 명확하게 밝혀지지 않았다. 이 메커니즘을 이해하기 위해 한국의 연구원들은 다양한 조건에서 200nm(나노미터) 이하 고농도 NB의 안정성을 실험했다. 그 결과, NB은 온도 변화와 강한 물리적 충격에 노출된 후에도 뛰어난 안정성을 보인다는 사실을 발견했다. 

버블 기술은 환경오염 문제를 해결하고, 수처리 공정을 개선하며 산업 및 농업 생산을 촉진하는 강력한 도구로 부상했다. 이 기술의 새로운 응용 분야는 나노 버블(NB)의 독특한 특성(직경 1천 나노미터(nm)보다 작은 기포) 때문에 등장했다. 특히, 물 속의 NB 중 직경이 200nm 미만인 NB는 낮은 부력, 높은 물질 전달 효율, 높은 반응성 및 탁월한 안정성을 보였다. 그러나 NB 안정성의 기본 메커니즘은 여전히 파악하기 어려웠고, 대부분의 연구는 NB의 크기와 표면 전하의 시간적 변화에만 초점을 맞춰, 다양한 조건 속 NB의 농도 변화를 간과했다.

이 문제를 해결하기 위해, 박명환 한국 삼육대학교 부교수가 이끄는 연구팀은 다양한 조건에서 물 속 고농도 NB의 수와 안정성을 조사했다. 그들의 연구는 2023년 6월 9일에 온라인으로 배포됐으며, 『Applied Water Science』 저널 13권 7호에 게재됐다.

박 박사는 NB의 중요성을 강조하면서 “NB을 사용함으로써 추가적인 화학 물질 없이 다양한 부품의 원래 성능을 향상시킬 수 있다”고 말했다.

연구원들은 먼저 맞춤 제작된 NB 발전기를 사용해 물 속에서 NB를 생산했다. 물 1ml 당 약 20억 개 이상의 NB이 생산됐으며, 각각의 크기는 100nm였다. 그후 그들은 액체에 부유하는 나노 크기의 입자에 레이저를 비추고, 현미경으로 움직임을 추적하는 나노 입자 추적 분석을 사용해 NB의 안정성을 분석했다. 이 기술을 통해 연구원들은 원심분리, 흔들기, 섞기, 다양한 온도에 저장과 같은 물리적 충격에 대한 노출을 포함, 다양한 조건에서 NB의 수와 크기가 어떻게 변하는지 조사했다.

그들은 NB가 모든 테스트 조건에서 초기 농도의 80-90 %를 유지한다는 것을 발견했다. 구체적으로 NB를 5o℃, 25o℃, 60o℃, 80o℃에서 120일 동안 보관했을 때, NB는 초기 농도의 각각 85.7%, 81.0%, 103%, 84.8%를 유지했다. 또한, 90분 동안 원심분리를 했을 때 NB는 초기 농도의 90% 이상을 유지했고, 8시간의 흔들기 후에는 96%를 유지했다. 게다가 NB 용액을 8시간 동안 섞어도 이들의 농도가 눈에 띄게 변하지 않았다. 마지막으로 위의 모든 테스트에서 NB의 유의미한 크기 변화가 없었다.

이러한 결과는 200nm 이하의 NB이 다양한 조건에서 놀라운 안정성을 나타낸다는 것을 보여준다. 박 박사는 “NB는 제약, 화장품, 청소, 환경, 식품, 농업 등과 같은 다양한 분야에서 상당한 잠재력을 보여준다”라고 말했다. 또한 “과학자들은 화학 물질에 대한 의존도를 줄이기 위해 노력하고 있으며 무해한 가스와 NB를 사용하면 이러한 노력에 더욱 힘을 보탤 수 있다”라고 말했다.

이 연구는 수처리, 산업, 농업 등에서 보다 안전한 환경과 효율성 향상을 제공하는 버블 기술의 새로운 길을 열었다.

[원문보기]

Sahmyook University Researchers Take a Closer Look at Ultra-High Stability Nanobubbles

They investigate the number and stability of high-concentration sub-200-nm nanobubbles in water under various conditions

 

Nanobubbles (NBs) are highly valuable for industrial, agricultural, and water treatment applications due to their remarkable stability. However, the mechanism underlying the stability is not clear. To address this knowledge gap, researchers from South Korea investigated the stability of high-concentration sub-200-nm NBs under various conditions, finding that they showed exceptional stability even after exposure to temperature variations and severe physical impacts. NBs, therefore, could find potential applications in mass production and distribution in bubble technologies.

Bubble technology has emerged as a powerful tool for addressing environmental pollution, enhancing water treatment processes, and boosting industrial and agricultural production. Such novel applications of this technology have emerged owing to the unique properties of nanobubbles (NBs)—gas bubbles smaller than 1,000 nanometers (nm) in diameter. In particular, NBs in water, especially those with diameter less than 200 nm, exhibit low buoyancy, high mass transfer efficiency, high reactivity, and exceptional stability. However, the underlying mechanism behind their stability has remained elusive, with most studies focusing only on the temporal changes in the size and surface charge of NBs and overlooking the changes in their concentration under various conditions.

To address this issue, a team of researchers led by Associate Professor Myoung-Hwan Park from Sahmyook University in South Korea has recently investigated the number and stability of high-concentration NBs in water under various conditions. Their study was made available online on 09 June 2023 and published in Volume 13, Issue 7 of the journal Applied Water Science.

Highlighting the importance of NBs, Dr. Park remarks: “The most promising consequence of using NBs is that they can enhance the original performance of various components without any additional chemicals.”

The researchers first produced air NBs in water using a custom-made NB generator, with over two billion NBs per ml of water, each approximately 100 nm in size. They analyzed the stability of the NBs using nanoparticle tracking analysis, which involves shining a laser onto nanoscale particles suspended in a liquid and tracking their movements under a microscope. This technique enabled the researchers to investigate how the number and size of NBs change under different conditions, including storage at various temperatures and exposure to physical impacts like centrifugation, shaking, and stirring.

They found that the NBs retained 80–90% of their initial concentration under all the tested conditions. Specifically, when stored at 5oC, 25oC, 60oC, and 80oC for 120 days, the NBs maintained 85.7%, 81.0%, 103% and 84.8% of their initial concentration, respectively. In addition, when subjected to centrifugation for 90 minutes, the NBs maintained more than 90% of their initial concentration, and after eight hours of shaking, the corresponding value was 96%. Stirring the NB solution for eight hours did not change their concentration appreciably either. Moreover, the NBs exhibited no significant change in size in any of the above tests.

These findings indicate that sub-200-nm NBs exhibit remarkable stability under diverse conditions. “NBs show significant potential for real-life applications in mass production and distribution of bubble technology in various fields, such as pharmaceuticals, cosmetics, cleaning, environment, food, agriculture, and more,” highlights Dr. Park. “In addition, scientists are working towards reducing the reliance on harmful but indispensable chemicals, and the use of harmless gases and NBs can further support their efforts,” he concludes.

This study can thus open up new avenues for bubble technologies offering promising prospects for a safer environment and improved efficiency in water treatment, industry, agriculture, and beyond

[출처 = 삼육대학교(https://www.syu.ac.kr/eng/sahmyook-university-researchers-take-a-closer-look-at-ultra-high-stability-nanobubbles/?var_page=1&bid=2912&search_field=ALL&search_keyword=)]