基于金属氧化物的不锈钢网基油水分离复合膜的制备及性能研究

发布时间：2020-07-10 11:04

【摘要】：传统的分离过程如精馏、闪蒸等,由于需要加热和降温过程,耗能过大,正逐渐被更节能的分离过程所代替。在常温、重力驱动下、操作简单的、低能耗的油水分离过程,在近几年来的含油废水处理中,得到了越来越多的重视。由于超亲水-超疏油型油水分离膜可通过在基底表面构筑微纳米多级结构,调控分离膜表面粗糙度及表面能,具有通用性好、分离效率高、抗油污染能力强等优势,成为油水分离领域的热门研究方向。本文以力学性能优异的不锈钢网为基底,制备并研究了“除水,water-removing”的低表面能聚合物复合膜与原位金属氧化物修饰膜,主要研究内容与结果如下:(1)构筑微纳米结构与低表面能相结合的复合膜。以阳离子聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDADMAC)为粘结剂,掺杂不同比例的气相白炭黑(SiO_2)与氧化石墨烯(GO)混合纳米材料,再与全氟辛酸阴离子(PFO)在静电作用下络合,制得PDADMAC-PFO/GOSiO_2复合材料,用浸涂法修饰到不同目数的不锈钢网上,对其表面形貌、化学组成、润湿性与油水分离性能进行表征。结果表明,PDADMAC-PFO/GO修饰600目网膜具有最快的水响应亲水性,植物油的接触角为126°,空气中抗油滴粘附能力也较强。PDADMAC-PFO/GO修饰600网膜的水通量最高,达1875 L·m~(-2)h~(-1),分离效率为94.9%,具有较好的油水分离能力。虽然片状结构的GO未明显提高表面粗糙度,但是其高亲水性也提升了油水分离性能。(2)构筑多级微纳米结构与低表面能相结合的复合膜。为获得多级微纳米结构,自制毛刺状聚(苯乙烯-丙烯酸)-α-Fe_2O_3(PAF)纳米微球,与SiO_2以不同配比混合掺杂,得到PDADMAC-PFO/PAFSiO_2复合材料,以浸涂法修饰到100、300、600目与FeCl_3刻蚀600目不锈钢网上,对其表面形貌、化学组成、润湿性与油水分离性能进行表征。结果表明,PDADMAC-PFO/PAFSiO_2(1:1)修饰600目网膜具有较好的水响应亲水性和较高的疏油性,空气中植物油接触角为130.3°,修饰网膜具有最高的水通量为2585 L·m~(-2)h~(-1),分离效率为96.5%。经过FeCl_3刻蚀的600目不锈钢修饰网膜的水响应亲水性与疏油性能稍提升,也具有更高的水通量,达到2724 L·m~(-2)h~(-1),油水分离效率为96.5%,与SEM结果结合来看,经过刻蚀的不锈钢表面孔洞增多,表面粗糙度提升,PAF的掺杂提高了水响应亲水性与油水分离性能。(3)构筑原位金属氧化物微纳米复合膜。通过水热法与煅烧在不锈钢网表面原位生长具有多级粗糙结构的针叶状钴酸锌修饰层,得到超亲水-水下超疏油油水分离膜。探索最佳工艺,对网膜表面形貌、化学组成、润湿性、油水分离性能、机械稳定性与空气中稳定性进行了表征。结果表明,在六水合硝酸钴与六水合硝酸锌浓度分别为0.05 mol/L和0.025 mol/L时,在120℃下水热反应6 h,在400℃下煅烧3 h为最佳工艺,相对应的油水分离性能也是最佳的,其水通量达到了12485 L·m~(-2)h~(-1),分离效率为98%,截油率为94%,循环使用5次后,水通量保持在8819 L·m~(-2)h~(-1)以上,分离效率也保持在96.6%以上。ZnCo_2O_4修饰网膜的水接触角为0°,对于各类油相,测得水下油滴接触角都在150°以上,显示出超亲水-水下超疏油性能。网膜还具有较好的耐碱、盐腐蚀性能、机械稳定性与空气中稳定性。比较以上三种方法,得出最终结论为:原位生长ZnCo_2O_4修饰网膜的水通量与分离效率均比前两种浸涂法修饰网膜的都高,虽然在空气中不能疏油,但是也具有优异的水下超疏油性与抗粘附性,综合来看性能更佳。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.893;X703
【图文】：

润湿状态,过渡态,液滴,分离膜

属于超亲水；当水接触角范围在 90° ≤ θ ≤ 180°，认为表面疏水，θ ≥ 150°，表于超疏水，对于油滴也是一样的。.2.1 杨氏方程与模型接触角的概念及润湿性的理论基础最早是托马斯·杨（Thomas Young）于 1和 1805 年提出的[25]。他认为液滴的接触角（θ）主要取决于固-气（γSA）、固γSL）和液-气（γLA）界面的界面能/张力：cos = （1）该方程只适用于理想光滑表面，而作为油水分离膜，膜上必须存在可以透过者水的通道，因此我们需要在浸润理论的基础上，建立表面带有孔的分离膜的浸润模式。进一步了解，为什么分离膜可以分离油、或者是水。因此基于杨氏，为了理解透水或透油的分离膜的分离过程，后人扩展并提出了以下几种理实现油水分离提供了理论指导。

示意图,网膜,模型,示意图

华中科技大学硕士学位论文由于油水界面张力与截留液相的渗透力之间存在平衡关系，这种特殊油水混合物中实现选择性分离。因此，构筑超润湿表面是制备油水分艺[54]。于压力（重力或外加压力）驱使下的分离膜，要考虑两个因素：膜孔入侵压力“intrusion pressure”定义为液体润湿膜孔之前的最大压力，柱形膜孔，入侵压力可以用拉普拉斯-杨（Laplace-Young）公式[55]来表ΔP = = ( )（12）中γ为液体的表面张力，θa是前进接触角，A是网膜平均孔面积（area of的周长，R 是弯液面的曲率半径。

示意图,毛细现象,毛细作用力,示意图

华中科技大学硕士学位论文[57]。依据式（12），要实现过水隔油，在水通过超亲水表面后， θa要大于 90°，阻隔油通过的能力越大越好；另外，孔面积 A 越），ΔP ＞ 0 且入侵压力越大阻止油通过的能力越强。在微孔中润湿上升、粘附或者不润湿下降的现象称为毛细现象（受到毛细作用力，同时还受到来自液柱产生的静压力，一旦油滴其所受的毛细作用力，则油滴会渗透膜孔而通过[59]。液体压强公P = ρgh （13） ρ 是液体密度，g 是重力加速度，h 是液柱上升或下降的高度。）联立得：h = （14）

【参考文献】