宏观形状调控实现超疏水PMMA表面高效气泡黏附 污水处理显身手

“吹泡泡”，在阳光下泡泡五彩缤纷、色彩斑驳，相信很多人都玩过。那么你可知道在自然界和工厂生产中也有“吹泡泡”的现象发生？而且泡泡在诸多领域具有举足轻重的作用。例如，自然界中座头鲸利用气泡来猎杀小鱼作为食物，人类利用气泡黏附在疏水物质表面收集贵重的矿物，由此可见，气泡在人类生活和自然环境中具有重要的意义。然而气泡在水中的行为主要受浮力影响，大量的气泡会在浮力的作用下脱离水相而进入空气中，限制了其在液相体系中的应用。

由江雷院士(通讯作者)和于存明博士（通讯作者）等人在Adv. Funct. Mater.上以题为 “Morphology-Control Strategy of the Superhydrophobic Poly(Methyl Methacrylate) Surface for Effcient Bubble Adhesion and Wastewater Remediation”发表了不同形状的超疏水聚甲基丙烯酸甲酯片对于气泡黏附和在水环境中负载臭氧降解甲基蓝的研究成果。由于臭氧本身在水中的溶解度差，不利于臭氧对水体的净化，本文利用微气泡在超疏水表面的黏附作用，实现了气泡在水相环境中的长时间停留，并在有机染料污染物的降解方面得到了较好的应用。

图1 超疏水PMMA 圆片(SPCS)的制备和形貌表征

(a) SPCS的制备过程；

(b) SPCS的光学俯视图；

(c) SPCS的SEM图，插图为由超疏水纳米硅颗粒组成的SPCS表面；

(d) SPCS表面的水接触角和水下气泡的接触角。

图2 气泡在不同形状超疏水PMMA片上的黏附及脱离过程

(a)-(d) 超疏水性五角星形PMMA片，三角形PMMA片，圆形PMMA片和椭圆形PMMA片的气泡黏附和释放的光学图片；

(e) 气泡在五角星形PMMA片顶角处运动的光学图片和受力分析；

(f) 不同形状的PMMA片的气泡黏附效率。

图3 SPCS大小对气泡黏附效率的影响

SPCS气泡黏附效率与直径之间的关系。

图4 气泡在SPCS上的黏附和脱离过程

不同直径的SPCS(0.5, 1.0, 1.5, 2.0和3.0 cm)气泡粘附和脱离的光学照片。

图5 SPCS气泡黏附效率的影响因素(温度、深度)

SPCS气泡黏附效率与环境温度和浸入深度的关系。

图6 超疏水PMMA圆片阵列(SPCSA)用于甲基蓝降解

(a) 气泡在SPCSA上的铺展过程；

(b) SPCSA参与的臭氧降解甲基蓝过程；

(c) 臭氧（O3）降解甲基蓝（MB）的时间与臭氧流速之间的变化关系；

(d) 臭氧（O3）降解甲基蓝（MB）的效率与臭氧流速之间的变化关系。

采用激光切割、超疏水修饰等方法，制备了超疏水性的PMMA表面；并通过调控超疏水PMMA表面的宏观形貌，实现了水下气泡的高效黏附，有效地解决了气/液反应体系中的气泡上升问题。在此基础上，作者进一步发展出了超疏水的PMMA圆片阵列，并将其应用于臭氧降解甲基蓝(MB)溶液的过程中。实验发现超疏水PMMA圆片阵列可以明显的缩短甲基蓝溶液的降解时间、提高臭氧反应气体的降解效率。该方法有望在污水处理等领域中得到广泛应用，并推广应用到常见的气/液反应体系当中，提高气/液反应效率。

文献链接: Morphology-Control Strategy of the Superhydrophobic Poly(Methyl Methacrylate) Surface for Efficient Bubble Adhesion and Wastewater Remediation (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702020)

本文由材料人编辑部高分子组点点编译。江雷院士团队审核整理。

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