不同含气量水溶液替换法产生纳米气泡及其物理特性的研究

摘要

界面现象与我们的生活息息相关，有关界面问题的研究一直以来是科学家们研究的热点和难点。由于水是我们日常生活最常见的液体之一，对于界面水性质的研究更为引人注目。固液界面存在纳米气泡最初来源于人们研究表面疏水长程引力的作用机制。在经典热力学理论中，室温下水中纳米气泡被认为是不能稳定存在的。近年来随着对疏水表面研究的深入，越来越多的现象暗示固液界面存在纳米气泡，科学家通过中子衍射、表面力测量仪以及原子力显微镜等手段证实了纳米气泡的存在，特别是利用原子力显微镜对纳米气泡进行成像的研究，直接确证了纳米气泡在界面相的广泛存在。
　　目前直接探测固液界面纳米气泡的最有力手段是原子力显微镜(AFM)。在用AFM对纳米气泡成像时，通常选用表面较为平整的基底。主要有高序热解石墨(HOPG)，云母，金，聚苯乙烯薄膜，以及修饰过的硅。当前，关于纳米气泡的生成方法已经得到了广泛的研究，例如直接浸渍法，快速加热法，电化学法以及不同溶液替换法等。其中，溶液替换法是近年来研究的最多的一种方法。最初提出的醇水替换法，由于其高度可重复性，且能在不同的基底上产生大量纳米气泡而被广泛研究。在醇水替换的基础上，科学家又采用其他有机溶剂与水替换，发现也能够产生纳米气泡。然而，由于有机溶剂具有一定的缺陷和局限性。首先，这种方法不能应用在一些重要的可溶于有机溶剂的基底上，例如有机涂料或生物膜。其次，由于有机溶剂的存在，极易引入杂质。因此，为了克服上述缺点，有必要找到新的制备纳米气泡的方法。水-盐水替换法以及温差法的提出，为纳米气泡的生成方法打开了一个新的思路。
　　由于这两种方法没有有机溶剂，不会带入有机杂质。而且比较发现，这两种方法都是采用含气量较低的溶液（分别为盐水，热水）替换含气量较高的溶液（分别为水，冷水）产生纳米气泡。近来有一些研究表示，气体的过饱和并不是生成纳米气泡的必要条件，主要受到温度和气体溶解量两个因素的影响。由此推断，对于非饱和的系统，纳米气泡也有可能生成。在本论文中，主要是通过不同含气量的水溶液进行替换来产生纳米气泡。结果表明，用不同含气量的水溶液进行替换时，一定含气量差异的存在可以在疏水的HOPG表面生成纳米气泡。通过对不同扫描参数，不同的扫描模式以及针尖对气泡的影响得出生成纳米气泡的可能条件，证实了纳米气泡的存在。通过不同含气量水替换法产生纳米气泡，随着含气量差值的增大，气泡数量也逐渐增大，粒径反而逐渐减小。为了更好地研究不同含气量水溶液替换法产生纳米气泡的性质，我们还对气体的总体积进行了计算，结果发现，随着含气量差值的增大，每平方微米下的气体总体积也增大。说明含气量差值越大的溶液在替换过程中，所释放的气体量越多，纳米气泡也就越容易生成。
　　在保持相同含气量差值的情况下，我们还研究了不同含气量的水溶液替换对产生纳米气泡的影响。结果表明，在含气量差值相同的情况下，含气量越大的水溶液替换时所产生的纳米气泡数量越多，单位面积上所产生的气体总体积也越大。但其影响作用要比不同含气量差异的影响作用要小得多。
　　实验还探究了不同条件下纳米气泡的生成，发现疏水的HOPG表面比亲水的云母表面更利于纳米气泡的生成。此外，还发现替换顺序和基底的放置时间也对纳米气泡的生成有一定影响。实验还发现，纳米气泡有沿台阶生长的趋势。

目录

摘要

第一章 前言

1．1 固液界面上的纳米气泡

1．1．1 纳米气泡的提出

1．2 证实固液界面纳米气泡存在的依据

1．2．1 固液界面存在纳米气泡的间接证据

1．2．2 固液界面存在纳米气泡的AFM图像

1．3 纳米气泡的生成方法

1．3．1 醇水替换及快速加热

1．3．2 电化学法

1．3．3 控制温度及气体含量

1．4 影响纳米气泡的因素

1．4．1 溶解气体与表面预处理对纳米气泡的影响

1．4．2 温度及压强对纳米气泡的影响

1．4．3 表面粗糙度对纳米气泡的影响

1．4．4 表面张力及接触角的影响

1．5 纳米气泡的相关理论

1．5．1 纳米气泡的接触角

1．5．2 线张力

1．5．3 气-固和气-液界面间的表面张力

1．5．4 气泡的寿命

1．6 纳米气泡的应用

1．6．1 疏水性凝聚和共凝聚

1．6．2 电化学除杂质

1．6．3 摩擦力和粘附力

1．6．4 溶气浮选法

1．6．5 边界滑移

1．7 本课题的提出及主要研究内容

第二章 AFM研究纳米气泡的生成及其性质

2．1 实验与方法

2．1．1 实验试剂、材料和仪器

2．1．2 产生纳米气泡的实验与方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 纳米气泡的生成

2．2．2 扫描参数对纳米气泡的影响

2．2．3 含气量差异对纳米气泡的影响

2．3 小结

第三章 影响纳米气泡生成因素的研究

3．1 实验与方法

3．1．1 实验试剂、材料和仪器

3．1．2 实验过程与方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 基底的影响

3．2．2 替换顺序的影响

3．2．3 基底放置时间的影响

3．2．4 气泡沿台阶生长

3．3 小结

第四章 总结与展望

4．1 论文总结

4．2 展望

致谢

参考文献

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