纤维素基超浸润材料体系的构建及其油水分离作用机制研究

发布时间：2020-06-21 13:27

【摘要】：现代工业生产中产生大量不溶于水的有机溶剂和各类油品类化合物,严重污染土壤资源和水资源,秉承从大自然中学习的理念,人们利用生物仿生技术,采用界面化学原理,人工合成超疏水材料、超亲水-水下超疏油等材料,这些材料主要出现的问题是:部分基体材料价格昂贵、易腐蚀、无法大规模使用、部分改性剂含有氟类试剂,容易对环境造成二次污染等,这些缺陷限制了油水分离材料的实际应用。本论文在界面化学理论和表面润湿理论基础上,利用“二元纳米协同作用”科学思想,在亲、疏水表面构筑粗糙度,制备超疏水油水分离材料、超亲水-水下超疏油油水分离材料等,对浮油、乳化油进行有效分离,研究材料的构效关系和油水分离作用机制,基体材料上选择新疆地产、原料廉价易得、环境友好、可重复使用的纤维素,构建纤维素基超浸润材料体系,主要工作具体如下:(1)采用新疆地产普通纤维素棉布为基体材料,以SiO_2构筑粗糙度,以3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲基硅烷(TMSPMA)、十二硫醇(NDM)为单体,“硫醇-烯”点击反应为合成方法,制备超疏水棉布,通过接触角检测表明,超疏水棉布对水的接触角为161±2°,实验探讨了超疏水棉布油水分离作用机制,通过油水分离研究发现,在常压下,超疏水棉布在分离浮油的通量均在120 L/(h·m~2)以上,分离效率在99%以上,超疏水棉布经过20次的循环,分离效率依然在98.5%以上,通过对W/O型乳化油的分离前后光学显微镜照片和DLS粒径分析可知,分离前乳化油粒径约为1μm,分离后滤液粒径降至10 nm左右,且对乳化油的分离效率均在98%以上,表明超疏水棉布对乳化油分离效果显著。(2)采用新疆地产纤维素棉布为基体材料,在其表面引入聚乙烯醇(PVA),通过缩醛化反应与戊二醛(GA)交联,制备-C-O-C-键修饰的超亲水/水下超疏油棉布,通过接触角检测表明,该材料在水下对油的接触角为159±1°,实验同时探讨了超亲水棉布油水分离作用机制,通过油水分离实验研究发现,当PVA添加量为4%时,分离效率即可达到99%以上,实验同时研究了在pH=2,4,6,8,9,11,13等强酸、强碱环境下和经过10次循环之后,材料的分离效率依然在98%以上,实验同时对比研究了超亲水/水下超疏油棉布和超疏水棉布对高粘度油的分离,结果表明超亲水/水下超疏油棉布对各种高粘度油的通量均超过120 L/(h·m~2),分离效率均在98%以上,通过对O/W型乳化油分离前后光学显微镜照片和DLS粒径分析可知,分离前乳化油粒径约为1.5μm,分离后滤液粒径降至20 nm以下,且对乳化油的分离效率均在99%以上。(3)以新疆地产纤维素棉布为基体材料,利用原位共沉淀法沉积SiO_2微纳米颗粒构筑粗糙度,利用紫外光照射“点击反应”的方法对棉布进行改性,制备Janus棉布,研究了Janus棉布用于油水分离的作用机理,通过接触角检测表明,Janus棉布疏水面的接触角约为158±2°,亲水面在水下对油的接触角约为155±2°,Janus棉布的疏水面和亲水面的分离效率均达到98%以上,经过5次循环之后,Janus棉布的分离效率依然保持在98%以上。(4)分析和研究了乳化油难分离和分离通量低的原因,设计针对不同乳化油的分离材料,采用静电吸附分离原理,利用新疆地产棉花为原料,利用溶胶-凝胶法和冷冻干燥法,制备含负电荷的纤维素/玻璃粉复合气凝胶和含正电荷的纤维素/环糊精微球聚电解质刷复合气凝胶,两种复合气凝胶在水下对油的接触角分别为158.7±2°和155.5±2°,通过考察复合气凝胶的密度、孔隙率、分离通量、分离效率、DLS粒径分析等因素,表明当玻璃粉添加量为3%时,阳离子型乳化油粒径由1μm降至80 nm,分离效率达98%以上,当环糊精微球聚电解质刷添加量为5%时,对阴离子型乳化油的分离粒径由1μm降至50 nm以下。
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

微观形貌,荷叶,微纳米,宏观形貌

图 1-1 具有微纳米结构的荷叶表面，（a）荷叶的宏观形貌，（b）荷叶的微观形貌Figure 1-1 The surface of the lotus leaf with a micro nanoscale structure, (a) macroscopicappearance of lotus leaf, (b) microscopic appearance of lotus leaf. 1-2 自然界中的超疏水现象，（a）水稻，（b）玫瑰花，（c）鹅，（d）蝴蝶，（e）水黾，（f）蚊igure 1-2 Superhydrophobic phenomena in nature: (a) rice, (b) rose, (c) goose, (d) butter(e) water strider, (f) mosquito

荷叶,水黾,文献综述,玫瑰花

第一章文献综述图 1-1 具有微纳米结构的荷叶表面，（a）荷叶的宏观形貌，（b）荷叶的微观形貌Figure 1-1 The surface of the lotus leaf with a micro nanoscale structure, (a) macroscopicappearance of lotus leaf, (b) microscopic appearance of lotus leaf.

【参考文献】