磁性复合海绵的制备及其油水分离性能研究
发布时间：2021-07-12 00:12
溢油事故导致环境问题频发,开发特殊性能的油水分离材料迫在眉睫,简易制备低成本磁性油水分离材料是解决这些问题的有效途径。本文以商用聚氨酯（PU）海绵为基底,以硬脂酸（SA）、正钛酸四丁酯（Ti（OBu）4）、月桂酸（LA）和四氧化三铁纳米颗粒为主要改性剂,用浸泡法制备了磁性超疏水海绵和pH值响应的磁性海绵并研究了这两种复合海绵的油水分离性能,主要的研究内容如下:一、磁性超疏水PU海绵的制备及性能研究利用贻贝蛋白的粘附特性,通过多巴胺的自聚合在海绵表面形成聚多巴胺（PDA）膜,将四氧化三铁纳米颗粒固定在PU海绵的三维骨架上。然后,将磁性PU复合海绵浸泡在SA中形成一层低表面能聚合物。制备的超疏水磁性海绵具有超疏水性和磁性能。通过扫描电镜（SEM）、红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）对修饰前后的海绵的形貌、表面组成进行表征。然后,对该磁性复合海绵的磁性能进行了研究,结果表明,在外加磁场的作用下吸油后的海绵可以定向移动。对磁性复合海绵的油水分离性能进行了测试,结果表明它可以从水中分离出多种油和有机溶剂。另外,该磁性超疏水海绵在真空泵系统的帮助...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）固体表面液滴接触角的示意图;（b）Wenzel模型和Cassie模型[12]
兰州交通大学硕士学位论文9图1.2油水分离材料的一般分类[58]水接触角可达到150°，具有超疏水性。改性后的不锈钢网具有很好的耐腐蚀性和可重复利用性，其油水分离效率高达98.5％，基本上可满足海上溢油回收作业的要求[61]。通常为了提高聚合物包覆金属网格的超疏水性，可将纳米颗粒例如SiO2引入共涂材料中，可以改变表面的粗糙度。如李辈辈[62]采用二次结晶和浸涂的方法将改性二氧化硅纳米颗粒涂层到不锈钢丝网上，使不锈钢丝网具有良好的疏水性。近年来，为了促进金属网格衬底表面粗糙度的均匀化，通过控制化学反应原位生长在网格衬底上的金属氧化物晶体已被报道。娄燕等[63]以不锈钢筛网为基材，在表面电沉积纳米Cu颗粒，用硬脂酸改性制备超疏水、超亲脂不锈钢筛网。并研究了电沉积时间、电流强度、电解质温度和电解质浓度对不锈钢筛网接触角和轧制角的影响。制备的超疏水不锈钢筛网的水相的接触角达到152°，油相的接触角为0°。虽然金属氧化物原位生长法制备的金属网格表面粗糙度较单一且可控，但制备过程有时相当复杂，在金属衬底上实现均匀可控表面织构的一种较容易的方法是金属的直接氧化。Zhang[64]研究小组以裸铜线为基础，采用一步阳极氧化法制备了微纳米二元结构、低表面能涂层的超疏水和超亲油表面，其水接触角和水滑动角分别为153°和7.5°，油接触角为0°，制备的表面具有优良的疏水性能和良好的吸油能力。此外，制备的表面具有较好的抗饱和抗腐蚀性能，而且可以对多种油水混合物进行有效地分离，经过10次循环，分离效率仍可达到87%以上，为制备具有高油水分离效率和优良耐久性的表面提供了一条低成本的途径，具有广阔的应用前景。1.3.2面料为主的材料织物/纺织品价格便宜，柔软且重量轻，特别是天然纺织品（如棉花）是可降解、可
磁性复合海绵的制备及其油水分离性能研究12压缩时，海绵仍保持超疏水性，如图1.4所示。而且经测试海绵在超疏水性和吸油性方面也表现出良好的机械稳定性和可重复利用性，如图1.5所示。综上所述，目前超疏水磁性海绵的制备方法都较为复杂，这将很大程度上限制它们在油水分离领域的应用。因此，低成本、高性能、绿色环保的超疏水磁性海绵的制备方法的研发具有非常重要的意义。Liu课题组[87]报道了一种超疏水磁性海绵的简易制备方法，在超声作用下，用Fe3O4磁性纳米粒子和低表面能化合物十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷溶液浸渍工业海绵，制备出具有高效油水分离能力的超疏水磁性海绵，改性海绵可由磁铁驱动至受污染水域，以选择性地从水中吸收油，制备的海绵对不同类型的油和有机溶剂的吸油能力高达其自身重量的25-87倍，且具有良好的可循环利用性，在污染水处理中具有广泛的应用前景。对于含有邻苯二酚和胺官能团的PDA几乎能够与所有类型的物质表面有很强的结合作用，这对于基体表面固定官能团和纳米颗粒非常有用，基于这些特点，PDA涂层已被用于制备超疏水油水分离材料。Xu等人[88]采用浸渍包覆法，将磁性颗粒用PDA牢牢固定在海棉上，在室温下用氟硅烷（FAS-17）的乙醇溶液对磁性海绵进行改性，制备了超疏水磁性海绵，如图1.6所示，该方法为低成本、多功能磁性材料的设计提供了一种简单的途径。图1.3(a)水面漂浮汽油；(b)水中氯仿的吸收；(c)油/水分离；(d)泵用PU@Fe3O4@SiO2@Fp海绵辅助水面浮动汽油的连续分离[86]
【参考文献】：
期刊论文
[1]An innovative study on low surface energy micronano coatings with multilevel structures for laminar flow design[J]. Jun TAO,Gang SUN,Gang WU,Liqiang GUO,Yongjian ZHONG,Meng WANG,Bo YOU. Chinese Journal of Aeronautics. 2019(03)
[2]油水分离材料进展[J]. 张佳星,桑成功,冒海波,谢忱,王倡春. 广州化学. 2018(01)
[3]石墨烯复合改性海绵的制备及其吸油性能[J]. 杜国勇,朱成旺,曾文强,任燕玲,蒋昕,郑惠芸,蒋小萍. 环境工程学报. 2018(03)
[4]用于油水分离的超疏水氧化锌海绵的制备及其性能[J]. 程千会,刘长松. 中国表面工程. 2018(01)
[5]超疏水材料在油水分离领域应用研究现状及存在的问题[J]. 张雪梅,高晓明,牛风兴,杨晓霞. 辽宁化工. 2017(12)
[6]磁性颗粒在油水分离中的应用[J]. 吕晓书,张贤明,熊昆,蒋光明. 水处理技术. 2016(12)
[7]含油废水处理用分离材料研究进展[J]. 杨晴,傅寅翼,高爱林,薛立新. 高分子通报. 2016(09)
[8]一种腐植酸改性飞灰磁性材料的制备及油水分离方法[J]. 腐植酸. 2016(04)
[9]超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展[J]. 邱文莲,贾伟灿,徐都,刘滨,沈烈. 材料科学与工程学报. 2016(03)
[10]超疏水-超亲油材料在油水分离中的研究进展[J]. 党钊,刘利彬,向宇,方文元. 化工进展. 2016(S1)
博士论文
[1]亲油疏水型海绵和膜基油水分离材料的制备及其性能研究[D]. 李辈辈.上海大学 2016
[2]特殊浸润性海绵的制备及油水分离应用研究[D]. 许亮鑫.清华大学 2016
[3]磁性复合粒子的可控制备及其油水分离性能研究[D]. Nisar Ali.西北工业大学 2016
[4]超疏水表面的构造和有机/无机杂化超疏水涂层的制备与性能研究[D]. 李坤泉.华南理工大学 2015
[5]超疏水聚氨酯（PU）海绵的制备及油水分离特性研究[D]. 祝青.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]磁性改性壳聚糖/导电聚苯胺的制备及其重金属离子和染料吸附性能[D]. 雷阳.成都理工大学 2018
[2]磁性改性聚苯胺的制备及其吸附重金属离子和染料性能[D]. 陈萍超.成都理工大学 2018
[3]超声喷涂风机叶片疏水性涂层的制备及性能研究[D]. 周洪宇.重庆大学 2017
[4]疏水亲油性油水分离材料的制备与表征[D]. 马晓敏.天津工业大学 2017
[5]三聚氰胺海绵为基体的吸油材料制备与性能研究[D]. 高慧敏.武汉工程大学 2016
[6]超疏水材料的制备及其油水分离特性研究[D]. 娄燕.华东交通大学 2016
[7]超疏水超亲油材料的制备及其油水分离性能研究[D]. 王恩群.东北石油大学 2016
[8]PANI-磁性介孔硅复合吸附剂对Cr（Ⅵ）的吸附及其机理研究[D]. 方艳.湖南大学 2015
[9]两种超疏水环境功能材料的制备及油水分离性能研究[D]. 许庆峰.河南大学 2015
[10]高性能油水分离材料的制备及性能研究[D]. 余子涯.青岛科技大学 2015
本文编号：3278783
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）固体表面液滴接触角的示意图;（b）Wenzel模型和Cassie模型[12]
兰州交通大学硕士学位论文9图1.2油水分离材料的一般分类[58]水接触角可达到150°，具有超疏水性。改性后的不锈钢网具有很好的耐腐蚀性和可重复利用性，其油水分离效率高达98.5％，基本上可满足海上溢油回收作业的要求[61]。通常为了提高聚合物包覆金属网格的超疏水性，可将纳米颗粒例如SiO2引入共涂材料中，可以改变表面的粗糙度。如李辈辈[62]采用二次结晶和浸涂的方法将改性二氧化硅纳米颗粒涂层到不锈钢丝网上，使不锈钢丝网具有良好的疏水性。近年来，为了促进金属网格衬底表面粗糙度的均匀化，通过控制化学反应原位生长在网格衬底上的金属氧化物晶体已被报道。娄燕等[63]以不锈钢筛网为基材，在表面电沉积纳米Cu颗粒，用硬脂酸改性制备超疏水、超亲脂不锈钢筛网。并研究了电沉积时间、电流强度、电解质温度和电解质浓度对不锈钢筛网接触角和轧制角的影响。制备的超疏水不锈钢筛网的水相的接触角达到152°，油相的接触角为0°。虽然金属氧化物原位生长法制备的金属网格表面粗糙度较单一且可控，但制备过程有时相当复杂，在金属衬底上实现均匀可控表面织构的一种较容易的方法是金属的直接氧化。Zhang[64]研究小组以裸铜线为基础，采用一步阳极氧化法制备了微纳米二元结构、低表面能涂层的超疏水和超亲油表面，其水接触角和水滑动角分别为153°和7.5°，油接触角为0°，制备的表面具有优良的疏水性能和良好的吸油能力。此外，制备的表面具有较好的抗饱和抗腐蚀性能，而且可以对多种油水混合物进行有效地分离，经过10次循环，分离效率仍可达到87%以上，为制备具有高油水分离效率和优良耐久性的表面提供了一条低成本的途径，具有广阔的应用前景。1.3.2面料为主的材料织物/纺织品价格便宜，柔软且重量轻，特别是天然纺织品（如棉花）是可降解、可
磁性复合海绵的制备及其油水分离性能研究12压缩时，海绵仍保持超疏水性，如图1.4所示。而且经测试海绵在超疏水性和吸油性方面也表现出良好的机械稳定性和可重复利用性，如图1.5所示。综上所述，目前超疏水磁性海绵的制备方法都较为复杂，这将很大程度上限制它们在油水分离领域的应用。因此，低成本、高性能、绿色环保的超疏水磁性海绵的制备方法的研发具有非常重要的意义。Liu课题组[87]报道了一种超疏水磁性海绵的简易制备方法，在超声作用下，用Fe3O4磁性纳米粒子和低表面能化合物十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷溶液浸渍工业海绵，制备出具有高效油水分离能力的超疏水磁性海绵，改性海绵可由磁铁驱动至受污染水域，以选择性地从水中吸收油，制备的海绵对不同类型的油和有机溶剂的吸油能力高达其自身重量的25-87倍，且具有良好的可循环利用性，在污染水处理中具有广泛的应用前景。对于含有邻苯二酚和胺官能团的PDA几乎能够与所有类型的物质表面有很强的结合作用，这对于基体表面固定官能团和纳米颗粒非常有用，基于这些特点，PDA涂层已被用于制备超疏水油水分离材料。Xu等人[88]采用浸渍包覆法，将磁性颗粒用PDA牢牢固定在海棉上，在室温下用氟硅烷（FAS-17）的乙醇溶液对磁性海绵进行改性，制备了超疏水磁性海绵，如图1.6所示，该方法为低成本、多功能磁性材料的设计提供了一种简单的途径。图1.3(a)水面漂浮汽油；(b)水中氯仿的吸收；(c)油/水分离；(d)泵用PU@Fe3O4@SiO2@Fp海绵辅助水面浮动汽油的连续分离[86]
【参考文献】：
期刊论文
[1]An innovative study on low surface energy micronano coatings with multilevel structures for laminar flow design[J]. Jun TAO,Gang SUN,Gang WU,Liqiang GUO,Yongjian ZHONG,Meng WANG,Bo YOU. Chinese Journal of Aeronautics. 2019(03)
[2]油水分离材料进展[J]. 张佳星,桑成功,冒海波,谢忱,王倡春. 广州化学. 2018(01)
[3]石墨烯复合改性海绵的制备及其吸油性能[J]. 杜国勇,朱成旺,曾文强,任燕玲,蒋昕,郑惠芸,蒋小萍. 环境工程学报. 2018(03)
[4]用于油水分离的超疏水氧化锌海绵的制备及其性能[J]. 程千会,刘长松. 中国表面工程. 2018(01)
[5]超疏水材料在油水分离领域应用研究现状及存在的问题[J]. 张雪梅,高晓明,牛风兴,杨晓霞. 辽宁化工. 2017(12)
[6]磁性颗粒在油水分离中的应用[J]. 吕晓书,张贤明,熊昆,蒋光明. 水处理技术. 2016(12)
[7]含油废水处理用分离材料研究进展[J]. 杨晴,傅寅翼,高爱林,薛立新. 高分子通报. 2016(09)
[8]一种腐植酸改性飞灰磁性材料的制备及油水分离方法[J]. 腐植酸. 2016(04)
[9]超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展[J]. 邱文莲,贾伟灿,徐都,刘滨,沈烈. 材料科学与工程学报. 2016(03)
[10]超疏水-超亲油材料在油水分离中的研究进展[J]. 党钊,刘利彬,向宇,方文元. 化工进展. 2016(S1)
博士论文
[1]亲油疏水型海绵和膜基油水分离材料的制备及其性能研究[D]. 李辈辈.上海大学 2016
[2]特殊浸润性海绵的制备及油水分离应用研究[D]. 许亮鑫.清华大学 2016
[3]磁性复合粒子的可控制备及其油水分离性能研究[D]. Nisar Ali.西北工业大学 2016
[4]超疏水表面的构造和有机/无机杂化超疏水涂层的制备与性能研究[D]. 李坤泉.华南理工大学 2015
[5]超疏水聚氨酯（PU）海绵的制备及油水分离特性研究[D]. 祝青.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]磁性改性壳聚糖/导电聚苯胺的制备及其重金属离子和染料吸附性能[D]. 雷阳.成都理工大学 2018
[2]磁性改性聚苯胺的制备及其吸附重金属离子和染料性能[D]. 陈萍超.成都理工大学 2018
[3]超声喷涂风机叶片疏水性涂层的制备及性能研究[D]. 周洪宇.重庆大学 2017
[4]疏水亲油性油水分离材料的制备与表征[D]. 马晓敏.天津工业大学 2017
[5]三聚氰胺海绵为基体的吸油材料制备与性能研究[D]. 高慧敏.武汉工程大学 2016
[6]超疏水材料的制备及其油水分离特性研究[D]. 娄燕.华东交通大学 2016
[7]超疏水超亲油材料的制备及其油水分离性能研究[D]. 王恩群.东北石油大学 2016
[8]PANI-磁性介孔硅复合吸附剂对Cr（Ⅵ）的吸附及其机理研究[D]. 方艳.湖南大学 2015
[9]两种超疏水环境功能材料的制备及油水分离性能研究[D]. 许庆峰.河南大学 2015
[10]高性能油水分离材料的制备及性能研究[D]. 余子涯.青岛科技大学 2015
本文编号：3278783
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