频繁的海上漏油事件和来自工业及生活含油废水的排放严重影响了自然环境和人类健康。借助物理化学、表面化学理论制备的特殊润湿性表面实现油水混合物有效分离，已成为当前科学研究的热点^{[1, 2]}。材料表面的润湿性与其表面微观结构和化学组成密切相关，通过表面微观结构和化学组成的共同作用，可以得到特殊润湿性表面，如超疏水、超疏油、超亲水、超亲油等表面。特殊润湿性表面在防腐防污、防结冰、生物医药、能量储存等方面也有着广阔的应用前景^{[3, 4]}。

将科学研究与本科实验教学相结合是实验教学改革的重要手段之一，对教师教学水平的提升和学生综合素质的培养十分有效。表 1为超疏水表面的制备及其在含油废水处理中的应用的实验教学设计思路^[5–8]，实验从引导学生关心身边实际环境问题出发，培养当代大学生的社会责任感；通过具体操作实施，培养大学生利用所学专业知识解决实际问题的实践能力和探索能力。实验各环节有机结合，较好地培养学生的创新思维，全面提升其综合素质。同时，本实验的趣味性较强，更有助于达成培养“发现问题-提出方案-实验设计-材料制备-性能评价-实际应用–前沿探索”综合能力的培养目标^{[9, 10]}。实验约6学时，可面向应用化学、化学工程、环境工程或材料化学等相关专业的三、四年级大学本科生开设。

(1) 能够说明固液界面润湿作用的相关知识。

(2) 能够说明接触角和Young’s方程，并解释相关实验现象。

(3) 能够完成超疏水表面的制备。

(4) 能够说明视频光学接触角测量仪(德国Dataphysics OCA20)的原理并完成测量操作。

(5) 能够说明水体油污染的危害，说明表面化学在处理油污染水体中的重要意义。

润湿性是液体与固体表面接触的重要特征之一，可通过液滴在固体表面上的接触角(θ)进行表征。接触角是指当系统达平衡时，在气、液、固三相交界处作气液界面的切线，此切线与固液界面的夹角。通常认为，当0° < θ < 90°时，固体表面具有亲液性；当90° < θ < 180°时，固体表面具有疏液性；当θ < 10°时，固体表面具有超亲液性；当θ > 150°时，固体表面具有超疏液性。其中，超亲、超疏液性统称为特殊润湿性。Young’s方程是描述理想固体表面固气、固液、液气界面张力γ_sv，γ_sl，γ_lv与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：

(1)$\gamma_{\mathrm{sv}}=\gamma_{\mathrm{sl}}+\gamma_{\mathrm{lv}} \cos \theta$

如图 1所示，方程(1)可以解释为三相接触点处的力的平衡^{[12, 13]}。

固体表面润湿性与其表面的微观结构和化学组成有关，通过表面一定粗糙度的微观结构和化学组成的共同作用，可以得到具有特殊润湿性的超疏水、超疏油、超亲水、超亲油等表面。本实验通过碱腐蚀铜网使其表面被氧化形成一层微/纳米Cu(OH)₂的粗糙表面，然后通过正十八烷基磷酸(ODPA)与Cu(OH)₂反应，在粗糙表面产生疏水的长烷基链，最终形成超疏水/超亲油的特殊润湿性表面，具体反应原理如下^[14]：

(2)$\mathrm{Cu}+2 \mathrm{NaOH}+\mathrm{K}_2 \mathrm{~S}_2 \mathrm{O}_8=\mathrm{Cu}(\mathrm{OH})_2+\mathrm{Na}_2 \mathrm{SO}_4+\mathrm{K}_2 \mathrm{SO}_4$

(3)$\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_{17}-\mathrm{PO}-(\mathrm{OH})_2+-\mathrm{Cu}-\mathrm{OH} \rightarrow \mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_{17}-(\mathrm{OH}) \mathrm{OP}-\mathrm{O}-\mathrm{Cu}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$

(4)$ \mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_{17}-(\mathrm{OH}) \mathrm{OP}-\mathrm{O}-\mathrm{Cu}+-\mathrm{Cu}-\mathrm{OH} \rightarrow \mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_{17}-\mathrm{OP}-\mathrm{O}_2-\mathrm{Cu}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} $

使用OCA20 machine (Data-Physics，Germany)接触角测量仪座滴法测量静态接触角。测量原理为外形图像分析法，即将液滴滴于固体样品表面，通过显微镜头与相机获得液滴的外形图像，再运用数字图像处理和Young-Laplace方程算法计算图像中的液滴的接触角。

实验采用具有超疏水/超亲油的特殊润湿性铜网实现油水混合物的有效分离。

试剂和材料：400目铜网，无水乙醇，氢氧化钠(NaOH)，过二硫酸钾(K₂S₂O₈，99.99%)，正十八烷基磷酸(CH₃(CH₂)₁₇PO(OH)₂，ODPA)，四氢呋喃(THF)，1,2-二氯乙烷，苏丹Ⅲ，亚甲基蓝，四氯化碳，所有试剂均为分析纯。

仪器：电子天平，超声波清洗仪，OCA20 machine (Data-Physics，Germany)接触角测量仪，含油废水处理装置(自组装)。

剪一块尺寸约为4 cm × 4 cm的400目平整铜网，将其放入盛有100 mL蒸馏水的烧杯中，再将烧杯放入超声波清洗机中超声清洗，5 min后取出铜网，室温晾干。再另取一洁净烧杯，倒入50 mL无水乙醇，将铜网放入其中，将该烧杯放入超声清洗机中继续超声清洗，5 min后取出，室温下晾干，得到洁净铜网。

配制200 mL 1.0 mol∙L⁻¹ NaOH-0.05 mol∙L⁻¹ K₂S₂O₈的碱溶液，在室温下将预清洁的铜网垂直置于碱溶液中浸泡，30 min后将被碱氧化腐蚀的铜网取出并用去离子水洗涤，在室温下晾干。

以ODPA为溶质，THF为溶剂，配制50 mL浓度为2 × 10⁻⁴ mol∙L⁻¹的ODPA/THF溶液。将碱腐蚀铜网浸入ODPA/THF溶液1–2 s，然后将其取出并在室温下晾干。

使用接触角测量仪分别测量经过预清洁的铜网，碱溶液氧化腐蚀的铜网和用ODPA修饰的碱腐蚀铜网的水和油(1,2-二氯乙烷)接触角，对比分析三者的接触角数值差异。

含油废水处理实验部件和装置如图 2所示，(a)为钢圈，硅胶垫，空心玻璃管，夹具等部件，(b)为使用夹具将ODPA修饰的碱腐蚀铜网固定于两个玻璃管间，自组装后的含油废水处理装置。

为便于观察含油废水处理结果，本实验将含油废水染色。准备40 mL蒸馏水，用洁净玻璃棒蘸取微量亚甲基蓝将蒸馏水染为蓝色，以40 mL四氯化碳有机溶剂作为油的模型物，用另一洁净玻璃棒蘸取微量苏丹Ⅲ染为红色，将两者混合得到含油废水模型。将含油废水从图 3b装置玻璃管上方缓慢倒入，观察ODPA修饰的碱腐蚀铜网的含油废水处理能力。

铜网，碱腐蚀铜网，ODPA修饰的碱腐蚀铜网的外观照片如图 3所示。可以看到，原始的铜网为棕黄色，碱腐蚀后铜网表面被Cu(OH)₂覆盖，呈现出均匀的天蓝色。ODPA/THF溶液无色，ODPA修饰之后的形态、颜色和修饰前的基本一致。

铜网，碱腐蚀铜网，ODPA修饰的碱腐蚀铜网的水接触角测量图如图 4所示。经软件计算，原始铜网的水接触角θ为108.34°，90° < θ < 150°，铜网表现为一般疏水性；碱腐蚀铜网上的水滴很快铺展并渗透不见，水接触角θ = 0°，表现为超亲水性；ODPA修饰后的碱腐蚀铜网的水接触角为θ = 153.01° > 150°，表现为超疏水性。

铜网，碱腐蚀铜网，ODPA修饰的碱腐蚀铜网的油接触角测量图如图 5所示，原始铜网油接触角为22.21°，表现为一般亲油性；碱腐蚀铜网和ODPA修饰的碱腐蚀铜网的油接触角均为0°，表现为超亲油性。图 6d则具体展示了ODPA修饰的碱腐蚀铜网的油接触角测量过程，将1,2-二氯乙烷滴于ODPA修饰的碱腐蚀铜网表面，1,2-二氯乙烷迅速在表面铺展开渗透。

对比分析以上铜网、碱腐蚀铜网、ODPA修饰的碱腐蚀铜网的水油接触角数值，可以得出结论：铜网表现为一般疏水/一般亲油性，碱腐蚀铜网表现为超亲水/超亲油性，ODPA修饰的碱腐蚀铜网则表现为超疏水/超亲油性。ODPA修饰的碱腐蚀铜网具有对水和油完全相反的超疏和超亲性质，有望实现油水混合物有效分离。

ODPA修饰的碱腐蚀铜网的含油废水处理实验结果如图 6所示。将含油废水从分离装置玻璃管上方缓慢倒入，可以发现，由于网的超疏水性和超亲油性，蓝色的水被超疏水表面拦截在了上方的玻璃管内，而红色的油则透过超亲油表面流入玻璃管下方的烧杯中，蓝色水溶液中未见任何红色，由此说明，ODPA修饰的碱腐蚀铜网具有的超疏水/超亲油特殊润湿性使其具有良好的含油废水处理能力。

四氢呋喃(THF)是重要的有机合成原料和性能优良的中等极性非质子溶剂，是一类杂环有机化合物，也是一种环状醚，在常温常压下粘稠度较小、具有类似乙醚的气味，因此ODPA修饰实验需要在通风橱里进行，操作时要注意做好安全防护。

本实验较好地激发了学生对于特殊润湿性表面的学习兴趣，在此基础上，设置实验拓展题1：超疏水等特殊润湿性表面在能源、环境方面还有哪些应用？进一步引导学生利用所学知识解决实际问题，并树立绿色化学思维和可持续发展理念。

本实验中的ODPA修饰的碱腐蚀铜网是超疏水/超亲油表面，能选择性地将油相从油水混合物中分离，是一种“除油型”的油水分离膜。实际上，本实验中的具有超亲水/超亲油性质的碱腐蚀铜网，经深入研究发现，具有超亲水/水下超疏油的性质，经一定设计和操作，能选择性地将水相从油水混合物中分离，这是另一类“除水型”的油水分离膜^[15]，因此，设置实验拓展题2：除超疏水/超亲油表面外，还有哪些特殊润湿性表面可应用于含油废水处理？进一步激发学生的科研兴趣和深入探究精神。

本实验理论基础属于物理化学、表面化学的范畴；实验步骤涉及到传统化学方法，如溶液的配制、铜网基底的预处理、碱腐蚀实验、ODPA修饰等等，这些步骤用到称量天平、量筒、超声清洗器具等，基础性强；之后为材料的润湿性测试，涉及接触角表征方法原理、Young-Laplace方程等，可以使学生进一步理解基础知识和理论；含油废水处理实验一方面采用装置自组装，可以培养学生的动手能力，还易于引发学生自主思考设计。因此，本实验综合性设计性强。

本实验将超疏水材料制备用于含油废水处理实验，ODPA使用量很少，与被氧化的铜网反应也非常迅速，且制得的超疏水铜网可以重复进行油水分离实验。因此，本实验具有节能、高效、绿色的特点。

可以引导学生关注含油废水污染问题，培养学生学以致用的能力，增强社会责任感和环保意识，促进绿色理念的树立。用身边的科研吸引学生的课堂注意力，有助于激发学生的兴趣，增强专业自豪感以及科研兴趣。立足实验操作环节，可以提高学生的安全意识，培养了学生的科学态度和创新精神。

该实验突出了传统与现代的结合，基础性与先进性的结合，也体现了科技创新和教学改革的成果。通过该实验，学生既能体会课本上的内容，也能深入理解知识点，学会自主思考和创新，因此本创新实验有助于实现课程育人功能。