两种超疏水环境功能材料的制备及油水分离性能研究
发布时间：2020-09-22 08:20
随着世界经济和全球工业化进程的高速发展,人类对石油资源及其衍生产物的需求不断增加。然而在此进程中,石油泄漏和有机污染物排放已经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。因此如何处理油水混合物并将其有效分离开已成为目前亟待解决的问题。超疏水表面展现出自清洁、超疏水特性,自上世纪50年代开始逐渐引起广泛研究。特别近些年,各国学者从自然界中获得灵感,通过对荷叶表面自清洁的仿生研究表明,荷叶表面的微纳米阶层结构和疏水的表皮蜡质的共同作用维持了水滴很高的静态接触角和很小的滚动角,从而实现超疏水和自清洁,称为自清洁或荷叶效应。一般情况下,超疏水表面可以通过两种方法来制备：一是在疏水性表面构建粗糙结构,二是在粗糙表面上修饰低表面能物质。最近,许多仿生超疏水超亲油材料因其选择性吸油和完全不吸水而被广泛研究和报道,然而也还存在一些问题,如价格昂贵、制备过程复杂、较难扩大生产等。因此迫切需要开发一种多功能吸附材料用于有效地解决这些问题。本文基于“荷叶效应”,制备了两种多功能超疏水环境功能材料并对其疏水性和油水分离性能进行了表征。本论文以廉价无尘纸为基体,通过反复浸泡-干燥法负载炭黑和化学气相沉积法(CVD)修饰超疏水分子,制备了功能性疏水无尘纸复合材料。通过接触角等测试表明所制备的疏水无尘纸复合材料具有很好的疏水性和亲油性及低的表面能。研究表明,在吸附第四次时,炭黑所占质量百分比为16%,此时接触角达到最大值为147.4±1.1°,说明此时疏水性最好,同时其亲油性最佳。通过模仿浮油和水下有机污染物的油水分离过程,达到了很好的选择性油水分离的目的。为进一步实现高吸油能力和油水混合物的可控分离,另制备了超疏水磁性聚氨酯复合海绵材料。借助多巴胺的反应活性和优越的粘附性,将磁性氧化铁颗粒固定在聚氨酯海绵基体的表面,再通过氟硅烷浸泡形成疏水表面。该复合材料表现出卓越的弹性、高疏水性,与水滴接触角达到153.7±2.7°,且对腐蚀性溶液也具有非常稳定的特殊浸润性。该材料具有多孔性和卓越的吸油能力,能够选择性吸收其自身重量约10-35倍的不同油品。除此之外,该复合材料能在外界磁场驱动下在油水混合物表面移动并吸收油品,实现磁场驱动分离油水混合物的目的。对于酸、碱、模拟海水的油水混合物都能够达到较好的油水分离效果。对于水下有机污染物也达到了很好的分离效果。复合材料保持着海绵基体良好的弹性,能够通过简单挤压可将吸收的油品快速清除,使油品快捷回收,同时实现复合材料循环利用。通过对苯十次吸收测试来研究材料的重复使用性,结果表明该材料的吸油能力k值保持稳定,材料具有较好的重复利用性。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TB34
【部分图文】：
叶＂洁身自好＂，不沾污水的自然现象，且在水滴滚落时带走表面的污泥。荷叶表面的逡逑微纳米阶层结构和疏水的表皮蜡质的共同作用维持了水滴很高的静态接触角和很小的逡逑滚动角，从而实现超疏水和自清洁，又称为荷叶效应（ｌ0ｔｕｓ－ｅｆｆｅｃｔ）ＰＷ９ｌ，如图１－１所示。逡逑图１－１邋（ａ）水滴在荷叶上的照片，肋荷叶表面ＳＥＭ照片，插图为单个乳突的ＳＥＭ照片，ＰＷ似水滴逡逑滚落时带走表面污染物ＰＵ逡逑与荷叶类似，印第安水芹、水稻等叶面也是在宏观上看似光滑，而在微小尺度上逡逑具有一些特别的多阶层结构；除植物之外，一些昆虫如蜡的翅膀［３３］、水虽的腿部［３４］等在逡逑表面也分布有特殊的微观结构，如图１－２所示。它们表面的微观结构形成新的气／固复合逡逑表面，可Ｗ导致其具有超疏水性从而实现水滴自由滚落ＰＳｊ。逡逑图１－２水稻叶１３２１脚、蜂翅膀Ｐ３ｌ（ｂ）和水吾腿部似的照片及其表面的ＳＥＭ照片逡逑ＵｊＩ上动植物的特殊的表面浸涧性是其在自然界中长期选择和进化的结果，同时也为逡逑人类解决疑难问题提供了答案Ｐｙ。借助自然的启发，我们能够制造出许多超疏水功能性逡逑材料
叶＂洁身自好＂，不沾污水的自然现象，且在水滴滚落时带走表面的污泥。荷叶表面的逡逑微纳米阶层结构和疏水的表皮蜡质的共同作用维持了水滴很高的静态接触角和很小的逡逑滚动角，从而实现超疏水和自清洁，又称为荷叶效应（ｌ0ｔｕｓ－ｅｆｆｅｃｔ）ＰＷ９ｌ，如图１－１所示。逡逑图１－１邋（ａ）水滴在荷叶上的照片，肋荷叶表面ＳＥＭ照片，插图为单个乳突的ＳＥＭ照片，ＰＷ似水滴逡逑滚落时带走表面污染物ＰＵ逡逑与荷叶类似，印第安水芹、水稻等叶面也是在宏观上看似光滑，而在微小尺度上逡逑具有一些特别的多阶层结构；除植物之外，一些昆虫如蜡的翅膀［３３］、水虽的腿部［３４］等在逡逑表面也分布有特殊的微观结构，如图１－２所示。它们表面的微观结构形成新的气／固复合逡逑表面，可Ｗ导致其具有超疏水性从而实现水滴自由滚落ＰＳｊ。逡逑图１－２水稻叶１３２１脚、蜂翅膀Ｐ３ｌ（ｂ）和水吾腿部似的照片及其表面的ＳＥＭ照片逡逑ＵｊＩ上动植物的特殊的表面浸涧性是其在自然界中长期选择和进化的结果，同时也为逡逑人类解决疑难问题提供了答案Ｐｙ。借助自然的启发，我们能够制造出许多超疏水功能性逡逑材料
式中：Ｘｓｖ、和？一固－气界面、固－液界面和液－气界面的表观自邮良；０—平衡接逡逑触角。逡逑如图１－３模型所示，将液体滴在理想的光滑固体表面，液体不完全展开而与固体表逡逑面形成０角，就是接触角，表明各个界面表面张力达到平衡，液滴在固体表面上处于稳逡逑态（或亚稳态）使得体系总能量趋于最小。逡逑Ａ逡逑图１－３接触角示意图Ｐ６１逡逑对于组成均匀、规则的固体表面，Ｙｏｕｎｇ’ｓ方程非常适用，然而这种理想表面在现逡逑实生活中是不存在的。对于粗髓表面，Ｙｏｕｎｇ’ｓ方程就不适用了。因此Ｗｅｎｚｅｒ’ｓｗ，Ｃａｓｓｉｅ逡逑和ＢａｘｔｅｒＰｉ，５２ｌＨ位科学家在二十世纪四五十年代，对于粗y砻娴谋砻嬲帕τ虢哟ソ堑腻义瞎叵捣直鸾辛私徊降男拚ｅ义嫌捎诖痔潜砻娴拇嬖冢沟眉负紊瞎鄄獾降拿婊∮诠桃合嗟氖导式哟ッ婊煎义现卤砉劢哟ソ牵ㄓ帽硎荆┚筒坏扔诒菊鹘哟ソ牵埃秸咧浯嬖谝欢ú钪怠２⑶遥祝澹睿澹戾义霞偕枰禾迥苁贾仗盥痔潜砻娴陌疾郏缤迹欤矗ǎ幔┧荆莆⑹哟ィⅲ诖嘶∩隙藻义希伲铮酰睿纭蠓匠探行拚玫街模祝澹睿澹旆匠蹋哄义希悖铮螅埃妫剑颍悖铮螅板危ǎ保玻╁义鲜街校唬
本文编号：2824138
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TB34
【部分图文】：
叶＂洁身自好＂，不沾污水的自然现象，且在水滴滚落时带走表面的污泥。荷叶表面的逡逑微纳米阶层结构和疏水的表皮蜡质的共同作用维持了水滴很高的静态接触角和很小的逡逑滚动角，从而实现超疏水和自清洁，又称为荷叶效应（ｌ0ｔｕｓ－ｅｆｆｅｃｔ）ＰＷ９ｌ，如图１－１所示。逡逑图１－１邋（ａ）水滴在荷叶上的照片，肋荷叶表面ＳＥＭ照片，插图为单个乳突的ＳＥＭ照片，ＰＷ似水滴逡逑滚落时带走表面污染物ＰＵ逡逑与荷叶类似，印第安水芹、水稻等叶面也是在宏观上看似光滑，而在微小尺度上逡逑具有一些特别的多阶层结构；除植物之外，一些昆虫如蜡的翅膀［３３］、水虽的腿部［３４］等在逡逑表面也分布有特殊的微观结构，如图１－２所示。它们表面的微观结构形成新的气／固复合逡逑表面，可Ｗ导致其具有超疏水性从而实现水滴自由滚落ＰＳｊ。逡逑图１－２水稻叶１３２１脚、蜂翅膀Ｐ３ｌ（ｂ）和水吾腿部似的照片及其表面的ＳＥＭ照片逡逑ＵｊＩ上动植物的特殊的表面浸涧性是其在自然界中长期选择和进化的结果，同时也为逡逑人类解决疑难问题提供了答案Ｐｙ。借助自然的启发，我们能够制造出许多超疏水功能性逡逑材料
叶＂洁身自好＂，不沾污水的自然现象，且在水滴滚落时带走表面的污泥。荷叶表面的逡逑微纳米阶层结构和疏水的表皮蜡质的共同作用维持了水滴很高的静态接触角和很小的逡逑滚动角，从而实现超疏水和自清洁，又称为荷叶效应（ｌ0ｔｕｓ－ｅｆｆｅｃｔ）ＰＷ９ｌ，如图１－１所示。逡逑图１－１邋（ａ）水滴在荷叶上的照片，肋荷叶表面ＳＥＭ照片，插图为单个乳突的ＳＥＭ照片，ＰＷ似水滴逡逑滚落时带走表面污染物ＰＵ逡逑与荷叶类似，印第安水芹、水稻等叶面也是在宏观上看似光滑，而在微小尺度上逡逑具有一些特别的多阶层结构；除植物之外，一些昆虫如蜡的翅膀［３３］、水虽的腿部［３４］等在逡逑表面也分布有特殊的微观结构，如图１－２所示。它们表面的微观结构形成新的气／固复合逡逑表面，可Ｗ导致其具有超疏水性从而实现水滴自由滚落ＰＳｊ。逡逑图１－２水稻叶１３２１脚、蜂翅膀Ｐ３ｌ（ｂ）和水吾腿部似的照片及其表面的ＳＥＭ照片逡逑ＵｊＩ上动植物的特殊的表面浸涧性是其在自然界中长期选择和进化的结果，同时也为逡逑人类解决疑难问题提供了答案Ｐｙ。借助自然的启发，我们能够制造出许多超疏水功能性逡逑材料
式中：Ｘｓｖ、和？一固－气界面、固－液界面和液－气界面的表观自邮良；０—平衡接逡逑触角。逡逑如图１－３模型所示，将液体滴在理想的光滑固体表面，液体不完全展开而与固体表逡逑面形成０角，就是接触角，表明各个界面表面张力达到平衡，液滴在固体表面上处于稳逡逑态（或亚稳态）使得体系总能量趋于最小。逡逑Ａ逡逑图１－３接触角示意图Ｐ６１逡逑对于组成均匀、规则的固体表面，Ｙｏｕｎｇ’ｓ方程非常适用，然而这种理想表面在现逡逑实生活中是不存在的。对于粗髓表面，Ｙｏｕｎｇ’ｓ方程就不适用了。因此Ｗｅｎｚｅｒ’ｓｗ，Ｃａｓｓｉｅ逡逑和ＢａｘｔｅｒＰｉ，５２ｌＨ位科学家在二十世纪四五十年代，对于粗y砻娴谋砻嬲帕τ虢哟ソ堑腻义瞎叵捣直鸾辛私徊降男拚ｅ义嫌捎诖痔潜砻娴拇嬖冢沟眉负紊瞎鄄獾降拿婊∮诠桃合嗟氖导式哟ッ婊煎义现卤砉劢哟ソ牵ㄓ帽硎荆┚筒坏扔诒菊鹘哟ソ牵埃秸咧浯嬖谝欢ú钪怠２⑶遥祝澹睿澹戾义霞偕枰禾迥苁贾仗盥痔潜砻娴陌疾郏缤迹欤矗ǎ幔┧荆莆⑹哟ィⅲ诖嘶∩隙藻义希伲铮酰睿纭蠓匠探行拚玫街模祝澹睿澹旆匠蹋哄义希悖铮螅埃妫剑颍悖铮螅板危ǎ保玻╁义鲜街校唬
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