Effects of Natural and Artificial Surfactants on Diffusive Boundary Dynamics and Oxygen Exchanges across the Air-Water Interface  

天然和人工表面活性劑對空氣-水界面擴散邊界動力學和氧氣交換的影響  

來源：Oceans 2021, Volume 2, Article 752-771,

《海洋》，2021年第2卷，文章752-771頁

 

摘要內容

通過比較天然海面微層（SML）與人工表面活性劑（Triton-X-100和油醇）對氣體通量的影響，揭示了二者如何通過增厚擴散邊界層（DBL）抑制氧氣擴散。研究發現：天然SML使海水氧氣擴散減少78%，人工表面活性劑使去離子水氧氣擴散減少81%；DBL厚度在添加SML后增至500μm（過濾海水）和350μm（未過濾海水）；Triton-X-100和油醇（2000μg L?1）分別使去離子水表面張力降至48和38 mN m?1，其中Triton-X-100的臨界膠束濃度為459μg L?1，其張力部分恢復的特性與天然海面相似。  

 

研究目的

量化天然SML和人工表面活性劑對空氣-水界面氧氣擴散速率、DBL厚度及表面張力的影響，闡明其抑制氣體交換的機制。  

 

研究思路：  

1. 樣品采集：在德國Jade灣采集天然海水和SML（玻璃板法），制備人工海水和去離子水對照。  

2. 氧氣擴散測量：使用丹麥Unisense微電極（OX-50和TP-200）原位測量氧氣濃度梯度（圖1），計算擴散速率和DBL厚度（表3-6）。  

 

 

 

 

 

3. 表面張力分析：通過Wilhelmy板法（Krüss張力儀）測定溫度、鹽度和表面活性劑對表面張力的影響（圖4-5）。  

 

 

 

4. 人工表面活性劑實驗：添加Triton-X-100和油醇（濃度13–2000μg L?1），評估其對DBL和表面張力的動態影響（圖3,5）。  

 

測量數據及研究意義：  

1. 氧氣濃度與擴散速率（表3-4，圖2）  

   ? 數據：天然海水和去離子水的氧氣濃度隨時間變化（例如未過濾海水在120分鐘內損失10%氧氣）。  

   ? 研究意義：驗證SML和人工表面活性劑顯著抑制氧氣擴散（天然SML抑制78%，人工表面活性劑抑制81%），為海氣通量模型提供關鍵參數。  

 

 

2. 擴散邊界層（DBL）厚度（表5-6，圖3）  

   ? 數據：DBL厚度在添加SML后增至499μm（過濾海水）和283μm（未過濾海水）；人工表面活性劑使DBL增厚30%（Triton-X-100）和26%（油醇）。  

 

   ? 研究意義：揭示表面活性劑通過增厚DBL阻礙氣體擴散的物理機制，解釋天然海面為何能減少60%的CO?通量。  

 

3. 表面張力變化（圖4-5）  

   ? 數據：溫度升高（24°C→55°C）使去離子水表面張力從72降至64 mN m?1；人工表面活性劑（2000μg L?1）使張力降至48 mN m?1（Triton-X-100）和38 mN m?1（油醇）。  

 

   ? 研究意義：證實表面張力受溫度、鹽度和活性劑濃度調控，Triton-X-100的張力部分恢復特性（5分鐘內恢復47%）模擬了天然海面的動態行為。  

 

結論：  

1. 氣體擴散抑制：天然SML和人工表面活性劑通過增厚DBL顯著抑制氧氣擴散，最大抑制率達81%。  

2. DBL動態機制：DBL厚度受表面活性劑濃度驅動，高濃度（>400μg L?1）導致DBL穩定性增強，但天然SML的DBL因生物活動而不穩定（過濾海水DBL在120分鐘內減少98μm）。  

3. 表面活性劑差異：Triton-X-100更接近天然SML行為（張力部分恢復），油醇形成持久單層膜，代表海面油膜特性。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

丹麥Unisense微電極（OX-50和TP-200）通過以下方式提供高分辨率原位數據：  

1. 高時空精度：響應時間<5秒，空間分辨率100μm（圖1），直接捕捉氧氣濃度梯度（圖2a-f）和DBL厚度變化（圖3a-c）。例如，原位測量顯示天然SML使DBL增至500μm（表6），解釋為何氧氣擴散速率降低78%。  

2. 環境模擬創新：電極倒置設計（圖1）結合氮氣頂空（人工梯度）模擬開放海域條件，首次量化停滯水體中SML對氣體通量的抑制效應（表3）。  

3. 機制可視化：通過動態剖面（如油醇使DBL穩定在442μm，表5）揭示表面活性劑通過增厚DBL而非生化作用抑制擴散，為海氣通量模型提供實驗依據。  

4. 技術優勢：避免采樣擾動，克服傳統方法（如氡示蹤）在實驗室與實地測量間的差異，證實天然SML的DBL可達1100μm（文獻支持），遠高于開放海域（36μm）。