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。     

选择性油水分离材料

水是人类赖以生存的基础,其重要性不言而喻。但是,当前水环境日益恶化,水污染日益加重,尤其是石油泄漏和有机污染物肆意排放给环境和生态系统造成了不可挽回的损害。因此,高效油水分离已成为亟待解决的问题。当前主要通过物理吸附、化学分散以及生物降解等方法进行油污清理;化学分散和生物降解法易对海洋环境造成二次污染,而物理吸附具有易于回收及无污染等优点。本文综述了近年来物理过滤和物理吸附油水分离材料的研究现状及尚待解决的难点,同时也展望了该领域未来研究的热点及发展方向。     

材料润湿性调控及其应用于油/水混合物分离的研究进展

油水混合物(包括油水分层相及其乳液)广泛存在于油井采出液、工业循环水及污染海水中,而目前依然缺乏有效的方法能够实现其高效分离,而通过构筑具有三维网络结构的油水润湿界面为以上问题解决提供了新思路.本文综述了利用特殊润湿性分离油/水混合物的材料的研究进展;针对不同的特殊润湿性,不同的油/水混合物等对这些分离材料进行了总结与评述;提出了目前特殊润湿性材料存在的不足之处,并对未来研究方向进行展望.     

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。     

油水分离材料进展

概括了包括物理分离、化学处理以及微生物分解三种常用油水分离方法,并全面综述了目前常见的油水分离材料的研究现状及进展,根据多孔分离材料的基体分为无机材料与高分子材料两大类,并探讨了分离材料的亲油性和疏水性,最后指出了该领域目前存在的问题及未来研究趋势。     

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。     

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.     

泡沫镍基底的超疏水表面制备及其油水分离特性的探究

采用两步水热法在以泡沫镍为基材上构筑具有枝杈状多重粗糙度的表面,该表面经低表面能的全氟硅烷偶联剂疏水化处理后呈现超疏水性质.另外通过改变催化剂的种类,可以实现表面微结构由枝杈状向花状及片层状结构的调控,具有上述微结构的表面经疏水化处理后均呈现很好的超疏水性质,制备表面与水的接触角可达160°,滚动角小于10°;通过该方法制备的超疏水表面可以用于简单的油水分离.实验中针对表面进行了XRD、SEM电镜进行了分析,并针对结构表面的构效关系进行了相关的分析.     

超浸润油水分离材料的研究进展

海洋石油泄露和工业废水违规排放造成了严重的环境和生态污染。近年来,受荷叶、水黾、鲨鱼等动植物组织结构的启发,超浸润材料的设计与开发成为当前研究的热点之一,在油水分离领域展现出十分重要的实际应用价值。本文首先介绍了表面浸润性的基本理论,然后综述了近年来包括超疏水型、超亲水型、Janus型以及功能型超浸润油水分离材料的研究进展,最后总结了目前该领域存在的一些问题,并指出利用简单环保的方法开发出低成本、耐久性和高效分离能力的超浸润油水分离材料将会是该领域的主要发展方向。     

三醋酸纤维素纳米纤维膜的制备及其油水分离应用

石油开采和油船运输泄露的油污污染日益突出,使得质轻、亲水疏油的油水分离材料得到广泛关注。本文在无任何添加剂条件下,以三醋酸纤维素(TCA)/N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶液通过热致相分离(TIPS)制备TCA纳米纤维膜。研究了淬火时间、温度和聚合物浓度等条件对TCA纳米纤维膜形貌的影响。TCA纳米纤维膜的形貌、孔隙率和比表面积通过SEM、乙醇法和N2吸脱附表征。实验结果表明,最佳实验条件为:淬火时间180 min、淬火温度-20℃、聚合物质量分数5%,得到直径为(110±28)nm均匀纤维膜。与块状TCA流延膜相比,TCA纳米纤维膜的高孔隙率和大比表面积以及表面特殊的微/纳结构,使其水接触角由86.2°增加到137.5°。由于高疏水性和亲油性以及强烈的毛细作用,TCA纳米纤维膜的吸油容量达到21.5 g/g,分别是流延膜的20~42倍,且可快速吸收油水混合物中的油层。TCA纳米纤维膜是一种可生物降解的溢油污染清洁材料。     

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。     

Janus Copper Mesh Film with Unidirectional Water Transportation Ability toward High Efficiency Oil/Water Separation

Inspired by the special asymmetric wettability and controllable permeation function of cell membranes, we report a Janus nanostructured copper mesh film with unidirectional water transportation ability. Water can permeate from the hydrophobic side to the hydrophilic side, but is retained in the opposite direction. Notably, based on this special unidirectional water permeation property, both heavy oil/water mixtures (ρ _oil>ρ _water) and light oil/water mixtures (ρ _oil<ρ _water) can be separated. Additionally, the film demonstrates high separation efficiency and good recyclability. This paper reports a new Janus film that achieved highly efficient oil/water separation based on smart control of the wettability of the film. It is believed to have the potential to be used in many practical applications, such as wastewater treatment and oil‐spill cleanup.     

Oil/Water Separation with Selective Superantiwetting/Superwetting Surface Materials

The separation of oil from oily water is an important pursuit because of increasing worldwide oil pollution. Separation by the use of materials with selective oil/water absorption is a relatively recent area of development, yet highly promising. Owing to their selective superantiwetting/superwetting properties towards water and oil, superhydrophobic/superoleophilic surfaces and underwater superoleophobic surfaces have been developed for the separation of oil/water‐free mixtures and emulsions. In this Review, after a short introduction to oil/water separation, we describe the principles of materials with selective oil/water absorption and outline recent advances in oil/water separation with superwetting/superantiwetting materials, including their design, their fabrication, and models of experimental setups. Finally, we discuss the current state of this new field and point out the remaining problems and future challenges.     

Application of Nano-Hydroxyapatite Derived from Oyster Shell in Fabricating Superhydrophobic Sponge for Efficient Oil/Water Separation

The exploration of nonhazardous nanoparticles to fabricate a template-driven superhydrophobic surface is of great ecological importance for oil/water separation in practice. In this work, nano-hydroxyapatite (nano-HAp) with good biocompatibility was easily developed from discarded oyster shells and well incorporated with polydimethylsiloxane (PDMS) to create a superhydrophobic surface on a polyurethane (PU) sponge using a facile solution–immersion method. The obtained nano-HAp coated PU (nano-HAp/PU) sponge exhibited both excellent oil/water selectivity with water contact angles of over 150° and higher absorption capacity for various organic solvents and oils than the original PU sponge, which can be assigned to the nano-HAp coating surface with rough microstructures. Moreover, the superhydrophobic nano-HAp/PU sponge was found to be mechanically stable with no obvious decrease of oil recovery capacity from water in 10 cycles. This work presented that the oyster shell could be a promising alternative to superhydrophobic coatings, which was not only beneficial to oil-containing wastewater treatment, but also favorable for sustainable aquaculture.     

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。     

Green Approach to the Fabrication of Superhydrophobic Mesh Surface for Oil/Water Separation

We report a simple and environment friendly method to fabricate superhydrophobic metallic mesh surfaces for oil/water separation. The obtained mesh surface exhibits superhydrophobicity and superoleophilicity after it was dried in an oven at 200 °C for 10 min. A rough silver layer is formed on the mesh surface after immersion, and the spontaneous adsorption of airborne carbon contaminants on the silver surface lower the surface free energy of the mesh. No low‐surface‐energy reagents and/or volatile organic solvents are used. In addition, we demonstrate that by using the mesh box, oils can be separated and collected from the surface of water repeatedly, and that high separation efficiencies of larger than 92 % are retained for various oils. Moreover, the superhydrophobic mesh also possesses excellent corrosion resistance and thermal stability. Hence, these superhydrophobic meshes might be good candidates for the practical separation of oil from the surface of water.     

Straightforward Oxidation of a Copper Substrate Produces an Underwater Superoleophobic Mesh for Oil/Water Separation

A superhydrophilic and underwater superoleophobic Cu(OH)₂‐covered mesh with micro‐ and nanoscale hierarchical composite structures is successfully fabricated through a one‐step chemical oxidation of a smooth‐copper mesh. Such mesh, without any further modification, can selectively separate water from oil/water mixtures with high separation efficiency, and possess excellent stability even after 60 uses. This method provides a simple, low‐cost, and scalable strategy for the purification of oily wastewater.