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不同基質(zhì)超疏水材料及其在油水分離中的應(yīng)用

日期:2024-12-25 15:56
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摘要:不同基質(zhì)超疏水材料及其在油水分離中的應(yīng)用

不同基質(zhì)超疏水材料及其在油水分離中的應(yīng)用


需要增透減反技術(shù)可以聯(lián)系我們上海工廠18917106313

上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè),公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū),專業(yè)的光電鍍膜公司,技術(shù)背景依托中國科學(xué)院,卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工;光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡,平板顯示,安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn),為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

  近年來,工業(yè)含油廢水排放增多、溢油頻繁等問題越來越突出。目前,主要有三種除油方法,分別為化學(xué)方法、物理方法和生物方法 。但一些方法效率低、能耗高,甚至還會引入新的污染物,迫切需要開發(fā)新型超疏水材料用于油水分離。

1907年奧利維爾報告了**個超疏水表面,超疏水材料開始得到深入研究。20世紀(jì)70年代,巴特洛特在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了蓮花效應(yīng)。當(dāng)材料表面對水和油具有相反潤濕性的時候,可用于分離油水混合物。隨后,研究人員模擬具有特殊潤濕性的生物表面微觀結(jié)構(gòu),開發(fā)出具有超親水/疏油或超疏水/親油性能的材料,并成功應(yīng)用于油水分離。超疏水材料通過吸附作用分離油水混合物,具有吸附率高、可循環(huán)利用及對環(huán)境友好的優(yōu)點,在油水分離中發(fā)揮了越來越重要的作用 。

本文介紹了超疏水材料的除油方法及制備方法,按制備超疏水材料的基質(zhì)分為工業(yè)產(chǎn)品、天然無機材料、生物質(zhì)材料和新興材料四類,綜述了各種材料在油水分離中的特點和優(yōu)點,分析了材料的除油性能,并提出了現(xiàn)有超疏水材料在油水分離領(lǐng)域存在的不足,指出了后續(xù)的研究方向,為深入研究超疏水材料在油水分離領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

   01

   超疏水材料除油


根據(jù)油滴直徑,油水混合物可分為非均相油水混合物(油滴直徑大于20μm)和油水乳液(油滴直徑小于20μm)。應(yīng)根據(jù)油水混合物的特點選擇合適的分離方法。
1.1 非均相油水混合物的分離
對于非均相油水混合物,可使用重力驅(qū)動設(shè)備或表面潤濕性不同的材料進(jìn)行油水分離。Yan等通過在碳布上負(fù)載Mn和TiO2制備的超親水/疏油碳布膜對正己烷等輕油具有良好的除油能力,油水分離效率為97.8%~99.0%。Yao等采用靜電紡絲法制備的超疏水/親油聚酰亞胺納米纖維膜能有效分離重油 - 水混合物,分離效率達(dá)99.18%。如果改變材料的表面潤濕性,超親水/疏油材料和超疏水/親油材料可相互轉(zhuǎn)化。Wang等利用去除莖髓的玉米秸稈制成的濾膜有效分離了輕油-水混合物,分離效率大于 99.71%。用聚二甲基硅氧烷和疏水SiO2對其改性后,膜的潤濕狀態(tài)由超親水性變?yōu)槌杷?,可實現(xiàn)重油-水分離。
1.2 油水乳液的分離
當(dāng)油在水中均勻分布時會形成水包油或油包水乳液。乳化油液滴相對穩(wěn)定,難以在重力作用下分離,可用陽離子預(yù)處理使其轉(zhuǎn)化為非均相油水混合物后再進(jìn)行分離。用膜分離油水乳液時,除了考慮膜表面對水和油的潤濕性不同外,還應(yīng)考慮孔徑大小。膜的孔徑必須小于液滴直徑,但過小的孔徑會導(dǎo)致油滴積聚從而堵塞孔,降低分離效率。目前新型超疏水材料可同時分離多種類型的油。Sun等使用共價有機骨架(COF)制備了具有水下超疏油和油下超疏水特性的智能COF膜。該膜具有切換的傳輸性能:不預(yù)濕時,水或油均無法滲透;用水預(yù)濕后,水可通過,油被阻擋,可分離輕油 -水混合物、重油-水混合物和油水乳液,分離效率均達(dá)99%以上,為設(shè)計可控、按需分離的超疏水材料提供了新思路。

   02

  不同材料為機制的超疏水材料

近年來,隨著人們對超疏水材料研究的加深,已經(jīng)制備了各類基質(zhì)的超疏水材料?;|(zhì)會影響材料的成本和性能(如堅固耐磨性、環(huán)保性及可回收性等)。超疏水材料需要具有精細(xì)的微納米級別的粗糙結(jié)構(gòu),或者用低表面能的物質(zhì)進(jìn)行修飾。目前,常用的制備方法有水熱法、溶膠凝膠法、刻蝕法、靜電紡絲法、涂覆法、沉積法、自組裝法及電化學(xué)法 等。

2.1 工業(yè)產(chǎn)品為基質(zhì)
2.1.1 聚合物紡織品作基質(zhì)
由海綿、織物等聚合物紡織品制備的超疏水材料具有表面多孔、彈性優(yōu)異、柔軟、有韌性及無毒等優(yōu)勢,所吸收的油類物質(zhì)可通過機械處理(如擠壓等)進(jìn)行回收,具有良好的可重復(fù)使用性。孫怡坤等發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯(PTFE)表面黏附SiO2后具有優(yōu)異的疏水親油性能,水接觸角(WCA)達(dá)153.2°,對非均相油水混合物的除油率超過98%,對油水乳液的除油率超過80%。該制備方法簡單,材料來源廣泛,但僅為單一改性。Zhang等使用沉積法將Fe3O4納米顆粒、氧化石墨烯(GO)和植酸(PA)沉積在聚氨酯海綿(PUS)表面,得到的 SFRM-PUS 具有優(yōu)異的超疏水性、阻燃性和磁性。Fe3O4納米顆粒的引入不僅增加了材料表面的粗糙度,還使 PUS具有磁性,使材料可在磁場作用下定向分離油,SFRM-PUS優(yōu)異的阻燃性一方面得益于PA的引入,另一方面是因為GO與Fe3O4納米顆粒在燃燒中形成了物理屏障,阻止氧氣和熱量的進(jìn)一步傳遞。
2.1.2 金屬網(wǎng)類材料作基質(zhì)
在強酸強堿、高溫、高鹽及雜質(zhì)磨損等惡劣的除油環(huán)境下,海綿容易損壞而出現(xiàn)彈性失活或表面涂層剝落的現(xiàn)象。金屬網(wǎng)既有海綿的柔韌性,又有更強的堅固性和更粗糙的表面,因此更能適應(yīng)惡劣條件下油水分離的需要。
Gao 等使用電沉積法制備了一種鍍鎳不銹鋼網(wǎng)SNSSM,不僅可有效分離油水混合物,分離效率達(dá)94%,而且顯示出優(yōu)異的耐腐蝕性,可在腐蝕性溶液中維持超疏水狀態(tài)超過96h。這是因為鎳層在沉積時會形成“山”狀凸起,既可增加材料表面粗糙度,又可吸附一定量的空氣,形成氣膜屏障,隔絕鍍層與腐蝕性液體的接觸。提高材料的耐腐蝕性可使其更適應(yīng)生活、生產(chǎn)的實際需要。但銅網(wǎng)無法直接儲油,需要與其他裝置結(jié)合制成撇油器,以實現(xiàn)連續(xù)集油。Ren等將硬脂酸改性的超疏水銅網(wǎng)與容器組合,使裝置在進(jìn)行油水分離時,油能自驅(qū)動地通過銅網(wǎng)進(jìn)入容器,不需額外能量。集油能力完全取決于撇油裝置所連接容器的體積,油水分離效率高達(dá)99.5%,10次循環(huán)后,分離效率未明顯下降。
金屬網(wǎng)具有優(yōu)越的堅固性和韌性,使它在保持超疏水性的同時,還可根據(jù)實際需要彎曲成各種形狀,這將在海面除油和廢水處理中發(fā)揮出巨大作用。
2.1.3 陶瓷類材料作基質(zhì)
雖然聚合物紡織品、金屬網(wǎng)基超疏水材料具有良好的油水分離效率,但聚合物紡織品熱穩(wěn)定性差,而金屬容易銹蝕解離出金屬離子造成二次污染,這些缺點限制了它們的實際應(yīng)用。
陶瓷是保溫行業(yè)常用的一種材料,具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗污垢性,且使用壽命長、易于清潔,在苛刻的條件下也能進(jìn)行油水分離。Dong等通過高溫氣相反應(yīng)在陶瓷纖維表面原位生長出長度約100nm的針狀莫來石晶須,這些晶須顯著提高了陶瓷纖維的表面粗糙度,使該超疏水材料的WCA達(dá)159.4°,對油(正庚烷、甲苯、氯仿等)-水的分離效率大于99%。在強酸溶液中浸泡48h后針狀晶須仍未被破壞,表現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。陶瓷類超疏水材料可適應(yīng)工業(yè)廢水處理的高溫環(huán)境,在海面除油時也不會對水體造成污染。但莫來石晶須的引入不僅會降低陶瓷纖維的強度,而且自身容易損壞,因此開發(fā)一種更具韌性、抗磨損性的陶瓷類超疏水材料將是研究重點。


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