油水分离用多孔基材表面润湿性设计及调控研究

发布时间：2020-08-23 09:25

【摘要】：频繁的石油泄漏事故、急剧增加的工业含油废水以及大量排放的生活含油污水使得环境污染问题变得日益严重,如何高效地对种类繁多、体系复杂的油水混合物进行分离,获得可重新利用的纯水和高纯度油品是我国乃至世界范围的科学难题之一。通过调控材料表面结构和化学组成,使材料具有对水和油相反的润湿性,能让油水两相中的一相选择性地被滤除或者吸附,成为目前最受关注的油水处理技术之一。本文以仿生学为指导,通过对多孔基材的表面微观结构和化学组成进行设计和调控,制备了多种特殊润湿性材料,并且实现了多种油水混合物体系的高效分离。本论文的主要工作有:通过喷涂等操作将已工业化生产、廉价易得的热塑性丙烯酸树脂和疏水SiO_2纳米粒子依次修饰在不锈钢滤网表面并进行加热处理,利用不饱和渗透作用引发热塑性丙烯酸树脂涂层浸润到无序的疏水SiO_2纳米粒子涂层空隙中,最终固定疏水SiO_2纳米粒子,成功制备出超疏水超亲油滤网。制备的超疏水超亲油滤网具有良好的机械稳定性、易修复性能以及储存稳定性,可分离多种分层油水混合物,分离效率高于99.0%,而且循环利用率高。由该滤网制成的集油器能实现水面浮油的快速高效连续收集,展现出优异的应用潜力和价值。为提高材料适应严苛的油水分离工作环境的能力,通过可交联型热固性酚醛树脂(TPR)和廉价易得的疏水SiO_2纳米粒子成功制备出水接触角为156°,滚动角为2.5°,油接触角小于1°的超疏水超亲油不锈钢滤网(SiO_2@TPR-SSM)。该SiO_2@TPR-SSM不仅具有良好的机械稳定性,可耐暴力揉搓,还具有优异的耐热、耐沸水和耐化学腐蚀性能,可耐多种有机溶剂,强酸溶液,高浓度盐溶液192 h以上。该滤网可有效地分离多种分层油水混合物,分离效率高达99.0%,循环利用率高于200次,并且能高效地分离沸腾的含强酸、强碱、高盐的油水混合物,对苛刻的油水分离工作环境的适应性极强。针对复杂的重油-水-轻油三元混合物体系,采用巧妙的方法将绿色环保的生物原料PDA修饰在棉布织物上,获得硫醇官能化棉布,然后通过高效的光引发点击化学反应将疏水性的SMA和具有pH响应基团的十一碳烯酸接枝到硫醇官能化棉布上,制备pH响应可转换润湿性棉布。制备的棉布表面具有较好的循环响应能力,可在pH为7和13的溶液中可以灵活地实现超疏水性和超亲水性之间的切换。pH响应棉布的拉伸断裂强度强于原始棉布,而且在500次剥皮实验后,棉布仍具有出色的超疏水性。该pH响应型棉布不仅能高效地分离复杂的油-水-油三元混合物,并具有优异的自清洁性能,又能在水面或水下轻松去除油污,还能高效地实现重油和轻油的油水混合物的可控分离,适用范围非常广。受沙漠甲虫背部结构集水原理的启发,通过仿生设计了一种具有超亲水凸起的超亲水-超疏水复合润湿性表面。我们在基材上组装亲水性SiO_2微粒,然后旋涂一层超疏水涂膜,通过控制涂膜厚度使亲水SiO_2凸起暴露在表面,制备了具有超亲水凸起的超亲水-超疏水复合润湿性表面。系统地研究空气中和油中在具有超亲水凸起的超亲水-超疏水复合表面的水珠聚集运动行为,并提出了油中水珠在复合表面的聚集机理和模型,即在油中,亲水SiO_2微粒与超疏水涂膜的相界面存在润湿性梯度差可以对附近的水珠产生较强的吸附作用,驱动水珠聚集在亲水SiO_2微粒上。针对分离难度较大的乳化油水混合物体系,将具有超亲水凸起的超亲水-超疏水复合润湿性表面修饰在孔径为10μm不锈钢滤网表面,制备超亲水-超疏水复合润湿性滤网。将该滤网应用在乳化油包水的分离中,其表面的超亲水凸起能从油中捕获和收集微小水滴,将微、纳米尺寸的小水滴聚集成大液滴,被超疏水超亲油的滤网截留,而乳化油包水中的油则能通过滤网,实现乳化油包水的高效分离。比较超疏水不锈钢滤网和具有超亲水凸起的超亲水-超疏水复合润湿性不锈钢滤网对乳化油包水的分离效率,具有超亲水凸起的超亲水-超疏水复合润湿性不锈钢滤网分离乳化油包水后的油液纯度达到99.95%,其油中含水量比单纯超疏水不锈钢滤网分离的乳化油包水油液的含水量要低10-20倍。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O647.5;O652.6;TB306
【图文】：

污染问题,严重后果,油水

第一章绪论、运输业的发展和人民生活水平的提高，频繁的石油泄漏事故水以及大量排放的生活含油污水使水资源污染问题变得日益严浮海面上的石油容易扩散形成一层不透气的油膜，阻碍水体的氧，影响海洋浮游生物生长，破坏海洋生态平衡[4]。油是水资污染物，同时，水也是油液系统中的一种污染物。油中含水会含水则会大大缩短内燃机车、船舶等动力装置的使用寿命并效地对含油废水和含水废油进行油水分离，获得可重新利用国乃至世界范围的科学难题之一。

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图 1-2 Young 模型Fig. 1-2 The sketch of Yong液体接触洁净光滑的固体材料表面时，气、液、固固-液表面张力（SL ）、气-液表面张力（LA ）和气-处于稳定状态。由于分子间的引力作用，此时体系三相交点处，和的夹角即为接触角（用表稳定状态的液滴的三相交点处进行力学分析，得到SA SL LA + cos （1-1）称为固-液间的本征接触角，SA LA SL 、、分别为力，这就是非常著名的 Young 氏方程[24]。同时，

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图 1-3 固体表面的五种经典润湿模型[25]Fig. 1-3 Wettability models of solid surface[25](1) Wenzel 模型 (图 1-3a)Wenzel 模型[26,27]表示的是液体能彻底润湿真实表面上粗糙结构的间隙，达到均匀润湿状态，并且液体受到一定的朝着固体方向的毛细管力。Wenzel 模型是由科学家 Wenzel提出，他认为真实表面的固-液接触面积大于对应的洁净理想表面的面积，进而影响了材料的润湿性，并提出了修正后的 Wenzel 方程。Wcos rcos （1-3）其中，W 为液滴在粗糙表面的接触角，r为相应的粗糙度，定义为粗糙表面实际表面积与清洁理想表面的液 - 固两相接触面积之比，且恒大于 1 。

【参考文献】