纤维素基水油分离材料的研究现状
发布时间：2021-03-10 23:34
随着全球经济的快速发展,大量油性废水从人们的日常生活和工业中被排放出来,泄油事件也频繁发生,已造成严重的环境问题,因此油水分离材料的研究受到越来越多的关注。纤维素具有很好的生物降解性、生物相容性和力学性能,将纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶、微晶纤维素等不同形态的纤维素通过功能化修饰后可以制备出具有优异水油分离效果的纤维素气凝胶、水油分离膜或改性纤维素滤纸;而直接对木材或棉纤维进行脱木素处理也可以得到高吸油性的水油分离材料。纤维素基水油分离材料不仅疏水性好且吸油倍率高,还具有可循环使用以及无二次污染等诸多优点。笔者介绍了近年来以天然生物质中的纤维素为基材构建各类水油分离材料的研究现状,并对不同类型水油分离材料的吸油疏水特性进行阐述,还对制备工艺过程中存在的问题以及未来的研究发展方向进行了展望。以天然纤维素为基体材料制备绿色环保功能型水油分离材料对于可持续发展具有重要的意义,而探索出更加绿色环保、制备工艺简单、低成本,且加工剩余物对环境不会造成二次污染的制备方法,并提高纤维素基水油分离材料的机械性能和重复使用性等是今后研究的重点。
【文章来源】：林业工程学报. 2020,5(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
以纤维素为原料构建水油分离材料示意图[20]
Li等[19]结合干法碎浆工艺与冷冻干燥方法制备出具有多孔结构且比表面积大的纤维素气凝胶，再利用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)进行改性，制备得到超疏水性纤维素气凝胶(HCA)，其在静态和动态吸附释放条件下均表现出优异的收集性能。刘志明等[20]以氢氧化钠/尿素/水作为纤维素溶剂，采用液滴悬浮凝胶法、冷冻干燥和表面硅烷改性的方法得到疏水亲油性纤维素气凝胶球(HCAB)。Zhang等[21]将卤胺化合物单体和三聚氰酰氯(CYCN)附着到纤维素水凝胶上制备得到超轻多孔纤维素气凝胶，并利用氯丙基三乙氧基硅烷(CPT)对其进行改性，制得具有水油分离功能的纤维素气凝胶，还可以有效地从水中去除十二烷泄漏，以及杀死金黄葡萄球菌和大肠杆菌。Jiang等[22]采用纤维素纳米纤维(CNF)通过冻融法先制备得到纤维素水凝胶，再用丙酮进行溶剂交换，随后与亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)交联，生产出具有很高压缩性和高疏水性的纤维素气凝胶，可通过简单的过滤将油脂从水中完全分离出来。Li等[23]采用表面引发原子转移自由基聚合法，将聚甲基丙烯酸甲酯(PDMAEMA)聚合物接枝到CNF气凝胶中，制备出表面润湿性可控的CNF气凝胶，对油水混合物具有非常好的分离效果(图2)。PDMAEMA的多孔结构和二氧化碳响应性成为油水混合物分离过程的开关，且制备出的纤维素气凝胶是可以循环利用的。Sun等[24]采用高碘酸钠氧化法和连续亚硫酸钠磺化法制备了纳米纤维素气凝胶，对各种油具有超疏油性，其水下油接触角大于150°，显示出较高的油水分离效率。Rafieian等[25]分别用0.6%,0.9%和1.2%质量分数的CNF为分散体，通过冷冻干燥的方法制备出低密度、高孔隙率、超轻的纳米纤维素气凝胶，再用十六烷基三甲氧硅氧烷(HDT-MS)通过化学气相沉积(CVD)的方法对其改性，制得的气凝胶可以有效吸附并去除不同类型油以及有机污染物。Gao等[26]以纳米原纤化纤维素(NFC)为骨架基体，利用聚多巴胺(PDA)将NFC支架与十八烷基胺(ODA)固定，通过希夫碱反应制备出具有水油分离效果的纳米纤维素复合气凝胶，其超低密度为6.04 mg/cm3，接触角高达152.5°，并具有极好的浮力和优异的油水分离选择性。该复合气凝胶还可吸收多种有机溶剂，最大吸收量可达176 g/g，可作为油和溶剂泄漏的吸附剂以及油水分离器。周丽洁等[27]以竹粉为原料制备纳米纤维素基体材料，以聚乙烯醇(PVA)为增强相，在酸性环境下采用冷冻干燥法制得PVA/CNF复合气凝胶，再采用三甲基氯硅烷(TMCS)对其进行疏水改性处理，制得疏水型r GO/PVA/CNF复合气凝胶。制得的复合气凝胶密度为6.78 mg/cm3，具有均匀的三维网状多孔结构，经疏水处理后气凝胶与水的接触角为138°左右，吸油倍率为78 g/g左右。尚倩倩等[28]以硫酸水解微晶纤维素制备得到的纳米纤维素(CNC)为原料，利用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)在水相中对其进行硅烷化改性，通过冷冻干燥得到了硅烷化纤维素复合气凝胶，其表面接触角随着MTMS添加量的增加而升高，最高达到153.7°，表现出优异的超亲油/超疏水性能，同时具有很好的循环使用性。
由此可见，用于油水分离的纤维素滤纸具有很高的分离效率和良好的可重复使用性能，应用范围广泛、使用便捷，在油水分离领域具有巨大的潜力。然而目前需要考虑的就是材料的耐久性，包括耐磨性和耐腐蚀性的问题，以及如何构建出只需重力驱动的乳化液处理滤纸，解决水油分离压力能耗高等问题也是日后的主要研究方向。4 天然木材基水油分离材料
本文编号：3075468
【文章来源】：林业工程学报. 2020,5(05)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
以纤维素为原料构建水油分离材料示意图[20]
Li等[19]结合干法碎浆工艺与冷冻干燥方法制备出具有多孔结构且比表面积大的纤维素气凝胶，再利用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)进行改性，制备得到超疏水性纤维素气凝胶(HCA)，其在静态和动态吸附释放条件下均表现出优异的收集性能。刘志明等[20]以氢氧化钠/尿素/水作为纤维素溶剂，采用液滴悬浮凝胶法、冷冻干燥和表面硅烷改性的方法得到疏水亲油性纤维素气凝胶球(HCAB)。Zhang等[21]将卤胺化合物单体和三聚氰酰氯(CYCN)附着到纤维素水凝胶上制备得到超轻多孔纤维素气凝胶，并利用氯丙基三乙氧基硅烷(CPT)对其进行改性，制得具有水油分离功能的纤维素气凝胶，还可以有效地从水中去除十二烷泄漏，以及杀死金黄葡萄球菌和大肠杆菌。Jiang等[22]采用纤维素纳米纤维(CNF)通过冻融法先制备得到纤维素水凝胶，再用丙酮进行溶剂交换，随后与亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)交联，生产出具有很高压缩性和高疏水性的纤维素气凝胶，可通过简单的过滤将油脂从水中完全分离出来。Li等[23]采用表面引发原子转移自由基聚合法，将聚甲基丙烯酸甲酯(PDMAEMA)聚合物接枝到CNF气凝胶中，制备出表面润湿性可控的CNF气凝胶，对油水混合物具有非常好的分离效果(图2)。PDMAEMA的多孔结构和二氧化碳响应性成为油水混合物分离过程的开关，且制备出的纤维素气凝胶是可以循环利用的。Sun等[24]采用高碘酸钠氧化法和连续亚硫酸钠磺化法制备了纳米纤维素气凝胶，对各种油具有超疏油性，其水下油接触角大于150°，显示出较高的油水分离效率。Rafieian等[25]分别用0.6%,0.9%和1.2%质量分数的CNF为分散体，通过冷冻干燥的方法制备出低密度、高孔隙率、超轻的纳米纤维素气凝胶，再用十六烷基三甲氧硅氧烷(HDT-MS)通过化学气相沉积(CVD)的方法对其改性，制得的气凝胶可以有效吸附并去除不同类型油以及有机污染物。Gao等[26]以纳米原纤化纤维素(NFC)为骨架基体，利用聚多巴胺(PDA)将NFC支架与十八烷基胺(ODA)固定，通过希夫碱反应制备出具有水油分离效果的纳米纤维素复合气凝胶，其超低密度为6.04 mg/cm3，接触角高达152.5°，并具有极好的浮力和优异的油水分离选择性。该复合气凝胶还可吸收多种有机溶剂，最大吸收量可达176 g/g，可作为油和溶剂泄漏的吸附剂以及油水分离器。周丽洁等[27]以竹粉为原料制备纳米纤维素基体材料，以聚乙烯醇(PVA)为增强相，在酸性环境下采用冷冻干燥法制得PVA/CNF复合气凝胶，再采用三甲基氯硅烷(TMCS)对其进行疏水改性处理，制得疏水型r GO/PVA/CNF复合气凝胶。制得的复合气凝胶密度为6.78 mg/cm3，具有均匀的三维网状多孔结构，经疏水处理后气凝胶与水的接触角为138°左右，吸油倍率为78 g/g左右。尚倩倩等[28]以硫酸水解微晶纤维素制备得到的纳米纤维素(CNC)为原料，利用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)在水相中对其进行硅烷化改性，通过冷冻干燥得到了硅烷化纤维素复合气凝胶，其表面接触角随着MTMS添加量的增加而升高，最高达到153.7°，表现出优异的超亲油/超疏水性能，同时具有很好的循环使用性。
由此可见，用于油水分离的纤维素滤纸具有很高的分离效率和良好的可重复使用性能，应用范围广泛、使用便捷，在油水分离领域具有巨大的潜力。然而目前需要考虑的就是材料的耐久性，包括耐磨性和耐腐蚀性的问题，以及如何构建出只需重力驱动的乳化液处理滤纸，解决水油分离压力能耗高等问题也是日后的主要研究方向。4 天然木材基水油分离材料
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