水体污染是当今社会面临的严峻问题，严重威胁到自然生物及人类的可持续发展。气泡作为气体在水中的一种载体，被广泛应用于污水处理中。然而，气泡在水中的行为主要受浮力的影响，大量的气泡会在浮力的作用下、快速地脱离液相进入空气中，造成气/液反应效率的降低。传统的解决方案，如机械搅拌、超声、多孔膜处理等方法，可以将大气泡转化成小气泡、在一定程度上延长气泡在水体中的停留时间、提高气/液的反应效率。尽管如此，微气泡的行为仍受浮力的影响，其在浮力的作用下、逸出液相的问题仍没有从根本上得到解决。
 
大自然是人类获取灵感的源泉，其为人类解决自身发展过程中所面临的问题提供了无数可行的解决方案。自然界中的水蜘蛛、龙虱、划桨甲虫等可以依靠其超疏水腹部高效粘附气泡，受此启发，北京航空航天大学江雷院士团队的于存明博士研究小组通过激光切割、超疏水修饰等简单方法，制备了具有超疏水性质的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）表面（图1）。该表面在水下对气泡具有较高的黏附力，从而可以克服浮力的不利影响，有效的实现水下气泡的黏附。  
通过实验，作者发现超疏水PMMA表面的形状对于气泡的黏附效率（即气泡的质量与超疏水PMMA表面的面积之间的比值）存在重要的影响（图2）。在具有形状梯度的超疏水PMMA表面，如五角星、三角形、椭圆等，气泡的两端会产生表面张力差，其会驱动气泡向形状中心运动，使超疏水表面黏附气泡的有效面积减小、进而造成气泡黏附效率的降低。圆形的超疏水PMMA表面具有高度对称性，气泡在其表面会迅速发生铺展，气泡的边缘与圆片的边缘完全重合，进而使超疏水表面束缚气泡的有效面积最大，因此气泡的黏附效率最高。  
在优选出最佳形状后，即超疏水PMMA圆片具有最佳的气泡黏附效率，作者研究了超疏水圆片直径与气泡黏附效率之间的关系（图3）。实验发现随着超疏水圆片直径的增大，气泡粘附效率会逐渐降低。这是因为随着直径增大，气泡在其上的三相接触线会逐渐内移，造成黏附气泡的有效面积减小，进而使整体的气泡黏附效率降低。此外，作者还研究了液相环境的温度及超疏水圆片的浸没深度对于气泡黏附效率的影响。实验发现，随着环境温度的升高，气泡的黏附效率逐渐降低。在不同的浸没深度下（实验室范围内，小于20 cm），超疏水圆片均可保持稳定的气泡黏附效率。  
接下来，作者制备了超疏水的PMMA圆片阵列，并将其应用于有机染料污染物的降解，其中甲基蓝溶液（MB）模拟污水、臭氧气体（O3）作为反应气体（图4）。实验发现，臭氧气体可以在超疏水圆片阵列表面铺展有效铺展、并形成臭氧气泡阵列，其既可以有效延长臭氧气体在液相中的停留时间、又可以增大气泡与水相的接触面积。对比直接的曝气过程，该方案可以显著地缩短污水处理时间、提高臭氧的利用率。
   
该研究提供了一种全新的思路来提高气/液反应效率，即通过模拟自然生物的特殊结构，依靠超浸润界面与气泡之间的特殊行为、将反应气体紧紧束缚在液相中，延长其在液相中的停留时间、以实现气体与液相的充分反应，提高气体的反应效率。该方案所用原料易得、所用制备方法简单/可大规模制备，有望应用于污水处理等气液反应体系。相关研究论文近期发表于《Advanced Functional Materials》，第一作者为北航化学学院本科生张春晖。


来源：高分子科学前沿