基于特殊润湿性材料的油水分离

频繁发生的石油泄漏事故以及工业含油污水的违规排放不仅造成了巨大的经济损失,而且严重破坏了人类赖以生存的生态环境。为了净化被油污染的水域,研究者们近年来开始研究出了各种特殊润湿性(如超疏水或超疏油)的材料用于实现油水分离。超疏水和超疏油可以通过设计材料表面的微观几何形貌和化学分子组成来获得。通过各种微纳制备手段使材料表现出对油和水截然相反的极端润湿性,是这类材料实现油水分离的关键所在。本文首先阐述了实现油水分离的重要意义,并介绍了材料表面润湿性的相关理论基础。根据材料对水和油所表现出的不同超疏液性与超亲液性,对油水分离材料从以下三类分别介绍：(ⅰ)超疏水/超亲油材料,(ⅱ)超疏油/超亲水材料,(ⅲ)智能响应润湿性材料。对于每一类油水分离材料,本文概括了国际上近期相关的代表性研究工作,包括材料的制备方法和实现油水分离的原理和过程,以及这些材料的主要特点和应用。最后,针对基于特殊润湿性材料实现油水分离,探讨了该研究领域目前存在的主要问题和面临的挑战,并对该领域的应用前景进行了展望。     

特殊润湿性油水分离材料的开发与研究

随着工业的发展,油水污染日渐严重,特别是石油的泄露、有机化学品的排放对生态环境造成了难以挽救的损害。因此,开发新型高效的油水分离材料与技术是一个极为重要的任务。特殊润湿性油水分离材料的出现,为科研人员指明了道路。本文以用于油水分离的特殊润湿性材料为研究体系;首先,对具有特殊润湿性油水分离材料的基本理论和设计理念进行分析;然后介绍了通过调控材料表面的微观结构和表面化学组成制备特殊润湿性材料实现不同的油水分离效果的研究进展,并且尝试从微纳米尺度上揭示特殊润湿性材料的特征,形成从微纳米尺度上揭示油水分离用材料化学品结构特征的技术基础。最后指出了目前在油水分离用功能材料化学品这一领域存在的一些问题,并对这一领域的发展趋势进行展望。     

油水分离用天然材料表面化学研究进展

油水乳液和油水混合物的分离对解决工业含油废水以及原油泄漏造成的污染问题具有重要的意义。近年来应用于油水分离的超润湿材料引起了广泛的关注,并展现出良好的应用前景。本文综述了近年来利用超润湿性低成本、环保的天然材料通过过滤和吸附技术分离油水乳液和混合物的研究进展。对于每一种天然材料,如沙粒、木材、椰子壳等,介绍了代表性的研究工作,阐述了其制备过程、润湿特性以及对油水混合物或者油水乳液的分离效果,并讨论了利用超亲水/水下超疏油、超疏水/超亲油两种类型的材料分离不混溶的油水混合物、"水包油"型乳液和"油包水"型乳液等三类油水混合物的物理化学机理。最后,对该领域的挑战和未来的发展方向进行了展望。     

具有水下超疏油性能的MXene高效油水分离膜

基于二维材料MXene(Ti₃C₂T_x)的化学组成和纳米片状结构, 在不锈钢网上制备了具有MXene微纳结构表面的新型亲水和水下超疏油分离膜. 对于不同类型的油-水混合物, 该膜材料可实现重力驱动的高效油水分离, 收集的水中残油量小于4 mg/L, 具有高分离效率(>99.99%), 水通量高达57.52 L·m^-2·s^-1. 此外, 经高温处理和多种有机溶剂浸泡后MXene膜仍具有高效的油水分离性能, 并表现出优异的稳定性和循环性.     

纤维素基超润湿材料在油/水分离应用中的研究进展

本文总结了纤维素基材料在油/水分离方面应用的研究进展。 以不同润湿性表面在油/水分离中的应用为切入点,介绍了3种不同的纤维素基油/水分离材料, 并结合作者所在课题组的研究工作,重点介绍了智能响应型油/水分离材料。 同时也总结了纤维素基超润湿材料在油/水分离之外的应用。 文章最后展望了纤维素基超润湿材料未来的研究方向并提出了亟待解决的问题。     

超浸润形状记忆海绵的制备及油-水分离性能

基于反式 1,4-聚异戊二烯(TPI)的形状记忆性能, 以聚氨酯海绵为基底, 包覆TPI制备出了一种具有疏水超亲油特性的三维多孔形状记忆海绵. 由于这种海绵具有良好的形状记忆特性, 可以通过反复按压/恢复过程, 实现对海绵孔径在微米尺寸(约875 μm)与纳米尺寸(约450 nm)间可逆调控. 利用材料特殊的浸润特征及其可控的孔尺寸, 进一步研究了其在油-水分离中的应用. 研究结果表明, 微米尺寸大孔径海绵有利于对不相溶油-水混合物进行快速高效分离, 而纳米尺寸小孔径海绵则有利于对乳液混合物进行分离, 实现了同一材料同时满足不相溶油-水混合物及乳液体系的分离要求.     

超亲水超疏油油水分离膜的制备及其性能

超亲水-超疏油油水分离膜是一种过水隔油的特殊分离膜,在处理海洋溢油污染、环境含油废水时具有保持分离膜不被油污染的优势,有十分重要的实际意义。为了掌握近年来超亲水超疏油分离膜的发展动态,本文首先以液体静压力与毛细作用力为基础阐述亲水疏油膜的油水分离机理;然后分类概括超亲水-超疏油金属基底网膜、刺激响应油水分离膜、无基底聚合物膜材料的制备及各项性能的研究新进展;最后总结目前在该领域仍存在的问题并进行展望。     

超疏水油水分离材料研究进展

近年来,石油泄漏和有机污染物排放对环境和生态系统造成了严重甚至不可挽回的损害,油水分离已成为一个全球性的挑战,如何处理油水混合物并将其有效分离已成为目前亟待解决的问题.许多仿生超疏水材料已被用于选择性油水分离研究,显示出诱人的应用前景.本文作者简要介绍了自然界超疏水现象以及固体表面浸润性理论,分析了材料的疏水亲油原理,重点介绍了近年来超疏水油水分离材料的研究应用进展,并对本领域的研究趋势进行了展望.     

超疏水-超亲油棉织物的制备及在油水分离中的应用

采用溶胶-凝胶法制得Zn O溶胶,以棉织物为基底,在其表面浸涂Zn O溶胶,再经辛基三甲氧基硅烷表面修饰后显示出超疏水性和超亲油性,水滴和油滴在其表面的接触角分别为152°和0°.利用棉织物表面的超疏水性和超亲油性,可以实现对油水混合物中油和水的有效分离.为防水服饰的设计、超疏水/超亲油材料的制备及在油水混合物的分离与应用提供借鉴.     

单宁酸/两性离子改性油-水分离膜的制备及性能

以不锈钢网为基材, 利用单宁酸对不锈钢网进行表面预处理并功能化接枝两性离子基团, 制备了新型亲水和水下超疏油的单宁酸/两性离子改性油-水分离膜(TA-ZW-SSM). 利用X射线光电子能谱仪(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)及接触角测量仪等表征了其化学结构、 形态和润湿性. 研究结果表明, 两性离子基团通过化学键接枝在单宁酸预处理的不锈钢网表面. 油-水分离实验结果表明, 对于不同类型的油-水混合物, 本文制备的超亲水和水下超疏油特性的TA-ZW-SSM可实现重力驱动的高效油-水分离, 并具有较好的化学稳定性及再循环性.     

一种可用于光降解的纳米氧化锌油水分离网

通过低温水热法在钢丝网上生长六棱柱形的氧化锌纳米柱.包覆了氧化锌纳米柱的钢丝网具有水下超疏油的特殊浸润性,并可用于油水分离.滤网在室温常压下可对含有汽油、柴油和原油等油水混合物进行高效快速分离,分离效率可达98%以上.材料可以承受1.4 kPa的油层压力且可反复使用.由于氧化锌的光响应性强,滤网可快速降解水中的亚甲基蓝,2 h的降解率可达80%.包覆了氧化锌纳米柱的钢丝网具备同时进行油水分离和降解环境中污染物的能力,是一种新型多功能水处理材料.     

三聚氰胺海绵的一步式协同超疏水改性及在油水分离中的应用

通过硝酸(HNO₃)实现两亲性三聚氰胺海绵(MS)的一步式协同超疏水改性, 从而得到了一种具有优异性能的油水分离材料——硝酸改性三聚氰胺海绵(HMMS). 采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 热重(TG)和扫描电子显微镜(SEM)对HMMS的结构、 形貌和组分进行了表征, 并对其表面润湿性、 机械性能、 吸附性能和油水分离性能等进行了研究. 结果表明, HMMS具有超疏水性, 以及优异的机械性能、 循环使用能力、 选择性吸附能力, 对油水混合物的连续分离效率可达6×10 ⁶ L?m ^-3?h ^-1, 并且可在苛刻的使用环境中保持稳定的物理化学性质.     

基于原位结晶苯膦酸锆膜的油水分离网的制备及应用

运用水热法在铜网表面原位结晶生长苯膦酸锆,获得微纳米级粗糙结构,且苯环排列在苯膦酸锆表面的最外层,使铜网具有超疏水和超亲油的性质,无需任何低表面能物质修饰,即可对油水混合物进行分离.苯膦酸锆层与基底存在一定的结合力,具有机械稳定性;同时又具有抗酸碱的化学稳定性.这种油水分离网不仅能够实现油水混合物的分离,还可以实现乳化油的油水分离,在实际生产运用过程中具有较好的应用前景.     

超亲水/水下疏油高硅布的制备及其油水分离性能

以机械强度高、柔性好和耐热耐酸的高硅布(HSC)为基底，通过一步接枝法和自聚合法对其浸润性给予改性。采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)作为“双面胶”接枝在其表面：一面利用静电作用沉积纳米SiO₂提供表面粗糙度，另一面聚合具有强亲水性的聚多巴胺(PDA)，获得了超亲水/水下疏油高硅布(APTES/SiO₂/PDA@HSC)。研究了不同尺寸(50、300和500 nm)的SiO₂对油水分离性能的影响，发现随着SiO₂尺寸增加，分离效率逐渐降低，其中APTES/50 nm SiO₂/PDA@HSC的油水分离性能最好。它的水接触角为0(°)，表现出明显的水下疏油性能，对汽油-水混合物分离效率为98%，滤液含油量低至37 mg/L，油水混合物通量为7184 L/(m²·h),10次循环分离效率仍能达到97.4%，对花生油和泵油也有明显的油水分离效果。     

用于分离油水乳液的先进材料

海洋原油泄漏事故的频发以及工业污水排放量的日益增加,给生态环境和人类健康造成了巨大的威胁,因此,开发应用于油水分离的先进材料是重要的研究任务。相较于不混溶的油水混合物,油水乳液(也称为乳化油水)的分离是一个更加艰巨的挑战。本文以分离油水乳液的材料作为研究体系,首先从本质上分析了油水乳液的形成机理以及分离原理,强调了“尺寸筛分”效应和膜破乳技术的重要性;然后从基材的角度全面介绍并讨论了常用于分离乳化油水的先进材料的最新进展,详细阐述了各种不同改性方法在油水分离领域中的应用。对材料进行改性的出发点是“合适的孔径”以及“特殊润湿性能”,并能满足优异的分离能力、渗透能力、抗污染能力、机械能力和稳定性,而这些性能在实际的分离操作中是非常关键的。环境系统在未来会变得越来越复杂,真实环境下的油水乳液大多含有较多的污染物,而且分离条件大多较苛刻,因此油水分离材料需要不断地改进,以满足这样的条件。我们相信,未来能在苛刻条件下高效分离多种油水乳液和其他杂质的多功能性先进材料会有巨大的应用前景。     

功能化超疏水材料的研究与发展

超疏水材料由于其独特的自清洁性能在日常生活和工业领域中有着广泛的应用前景。目前,随着单一功能化超疏水材料研究的成熟,超疏水材料性能的多样性,如透明性、耐磨耐久性、润湿性转换等,在基础研究和实际应用中受到了广泛的关注。透明超疏水涂层除了具备一般超疏水涂层的性能外还具有良好的透光性;而提高超疏水材料的耐磨耐久性在实际应用中具有极为重要的意义;润湿性转换则扩展了超疏水表面在油水分离等方面的应用。虽然已有较多关于超疏水材料的研究,但仍然无法满足人们对超疏水表面功能性的需求,因此研究功能化超疏水涂层具有更加深远的意义。本文综述了超疏水材料在透明性,耐磨耐久性,润湿性转换以及混合物分离等方面的研究进展,并展望了超疏水材料领域未来的研究热点和发展方向。     

超亲水疏油材料的制备及其油水分离性能

含油污水的随意排放对海洋、沿海周边环境以及人类健康造成了严重的影响。传统的油水分离方法易造成环境二次污染,同时也是对有限资源的一种损耗。因此,如何高效环保地解决含油污水问题具有重要意义。物理过滤/吸附法被认为是一种高效环保的分离方法,基于仿生学原理,许多可用于物理选择性分离的超亲油疏水和超亲水疏油材料被制备出来。超亲油疏水材料易被油污染,重复利用率低;相比之下,超亲水疏油材料具有自清洁性且重复利用率高,在油水分离方面具有广阔的应用前景。根据基底材料的选择不同,本文综述了金属基以及高分子基超亲水疏油材料的研究现状,总结了其优缺点,并对今后超亲水疏油材料的研究方向和重点进行了展望。     

超疏水超亲油不锈钢网的制备工艺优化及其性能研究

采用十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)对纳米二氧化硅(Nano-SiO2)进行疏水改性,通过一步浸渍法将疏水Nano-SiO2负载在化学刻蚀后的不锈钢网表面。以空气中水的静态接触角为评价手段,优化制备工艺并研究改性剂HDTMS的用量、改性时间、改性温度以及浸渍时间对疏水处理后不锈钢网的影响。采用透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线粉末衍射(XRD)对制得的疏水亲油Nano-SiO2进行表征;采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、接触角测量仪对制得的超疏水超亲油油水分离材料进行表征,并将其应用于油水分离。结果表明,控制HDTMS用量为1.5 mL,改性时间为3 h,改性温度为50℃,不锈钢网浸渍时间为30 min,所制得的负载疏水性Nano-SiO2的不锈钢网表面水的静态接触角为153°,煤油的接触角为0°。油水分离实验表明负载疏水改性的Nano-SiO2的不锈钢网片有良好的油水分离性能,可以分离多种油(环己烷、甲基环己烷、甲苯、煤油、液体石蜡、大豆油等)与水的混合物。     

多孔聚丙烯腈纤维膜的制备及油/水分离性能

首先采用静电纺丝制备聚丙烯腈/聚乙烯吡咯烷酮(PAN/PVP)纤维膜，再经水浸渍处理获得多孔聚丙烯腈(PPAN)纤维膜。通过傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、热重分析(TGA)探究纤维成孔机理，采用X射线光电子能谱(XPS)研究多孔纤维膜中PAN与PVP分子间相互作用力；同时探究PAN与PVP质量比对多孔纤维膜形貌、比表面积、润湿性、力学性能、油/水分离性能的影响，并确定最佳配比。结果表明：当m(PAN)/m(PVP)=1∶2时，PPAN纤维膜具有较高的力学性能；对正己烷/水混合物的分离通量高达(46 318±3 879) L/(m²·h·bar)(1 bar=0.1 MPa)，分离效率为(96.01±0.38)%；还实现了对不同种类油/水混合物的高效分离。此外，该PPAN纤维膜表现出优异的循环分离性能，经10次循环分离后，通量损失率仅为8.9%。     

天然五节芒花絮纤维的吸油性能

为探索五节芒纤维在油水分离领域的应用,实现农业资源的高值化利用,测试了五节芒纤维蜡质含量和比重,观察了纤维形态结构,测量了水及不同油剂在纤维表面的静态接触角,分析了纤维对不同油剂的静态吸油、保油、重复吸油性能,以及油水体系pH值、温度对植物油吸附影响,并初步探讨了纤维油水分离性能。结果表明:五节芒纤维,蜡质含量4.38%,比重0.669g·cm~(-3),中空度63%,具有优异的疏水亲油性,与纯水接触角为123.7°;对植物油、机油、柴油饱和吸油容量分别为15.23、22.15和26.65g/g,自然沥干5h后保油率均在70.0%以上,6次重复使用后纤维吸油性能分别下降了31.9%、19.1%和21.7%;纤维对植物油吸附性,在碱性条件下比酸性条件下小,并随温度增加而下降;对三种油剂的初次分离效率均高达98%以上,可作为油水分离材料。