氧化石墨烯基类贝壳结构超亲水-水下超疏油网膜的构筑及其油水分离性能研究

发布时间：2020-07-04 01:10

【摘要】：近年来,漏油事故频繁发生和人类生产生活中含油废水任意排放,对环境造成了严重污染,威胁人类健康。因此,寻找一种高效的油水分离手段来处理含油废水有重要意义。膜分离技术因其操作简便、分离效率高、能耗低等独到之处,在油水分离中有广阔远景。受荷叶、鱼鳞等启发,人们发展了许多油水分离膜材料,尤其是超亲水-水下超疏油膜材料受到研究者广泛关注。然而目前超亲水-水下超疏油膜材料的研究还存在制备过程复杂、机械性能和化学稳定性差及使用寿命短等问题亟待解决。得益于特殊的“砖-灰”结构,贝壳表现出优异的力学性能和机械性能。将类贝壳结构融入超亲水-水下超疏油膜材料的设计之中,是提高其稳定性和使用寿命的有效手段。氧化石墨烯(GO)拥有独特的片层结构、良好的延展性和亲水性及优异的机械性能,是构筑仿贝壳结构的理想基元之一。本论文旨在构建GO基类贝壳结构超亲水-水下超疏油网膜材料体系,表征其形貌、尺寸大小、微结构、表面浸润性、粗糙度等理化性质,系统地研究其油水分离性能。主要研究工作和结果如下:(1)以GO和海藻酸钠(SA)为构筑基元,CaCl_2为螯合剂,在不锈钢网膜表面层层自组装构筑了类贝壳结构GO-Ca~(2+)-SA涂层,得到了GO-Ca~(2+)-SA@Fe超亲水-水下超疏油网膜。研究了SA、CaCl_2浓度、组装次数、网膜尺寸等参数对复合网膜表面形貌和润湿性的影响,以及盐浓度、溶液pH对网膜润湿性和油水分离性能的影响。筛选出(GO-Ca~(2+)-SA)_(15)@Fe_(300)复合网膜性能最佳,其水下油滴接触角为154~o(1,2-二氯乙烷),对水下油滴黏附力较低,能有效分离甲苯-水、环己烷-水等多种油水混合物,分离效率超99%,膜通量达119426 L m~(-2) h~(-1)。通过GO、SA和Ca~(2+)三元协同自组装作用构建仿贝壳结构赋予复合网膜良好的循环使用性、耐盐性、耐酸碱性和优异的机械性能(杨氏模量达35.8±4.9 GPa)。(2)受贝壳“砖-灰”结构和荷叶表面乳突结构双重启发,在不锈钢网表面“仿生矿化”层层自组装构筑了类贝壳结构GO-CaCO_3涂层,得到了GO-CaCO_3@Fe超亲水-水下超疏油网膜。研究了GO浓度、浸渍次数和网膜尺寸等参数对表面微结构和浸润性的影响,揭示了类贝壳结构GO-CaCO_3的形成规律。考察了盐浓度和酸碱度对网膜浸润性和油水分离性能的影响。筛选出(GO-CaCO_3-5)_(20)@Fe_(300)复合网膜性能最佳,水下油滴接触角达155~o,分离效率超过99%,对环己烷-水的膜通量达179640 L m~(-2) h~(-1)。仿生网膜具有优异的自清洁性(水下油黏附力超低)、机械性能优异(杨氏模量为25.4±2.6 Gpa)、化学稳定性(耐酸耐碱)和良好的循环使用性。(3)以GO、聚乙烯亚胺(PEI)、硅球和埃洛石为构筑基元,在不锈钢网表面层层自组装构筑了多元类贝壳结构GO-PEI-SH涂层,得到了GO-PEI-SH@Fe超亲水-水下超疏油网膜。深入研究了原材料种类和浓度、浸渍次数、网膜尺寸对网膜表面浸润性和油水分离性能的影响。与GO-PEI-S@Fe和GO-PEI-H@Fe相比,GO-PEI-SH@Fe复合网膜具有更好的浸润性能。筛选出(GO-PEI-SH-1)_(15)@Fe_(300)复合网膜性能最好,对1,2-二氯乙烷的水下油滴接触角为159~o,网膜表面油黏附力较低,滚动角较小,分离效率高达99.8%,膜通量最高达195038L m~(-2) h~(-1),杨氏模量达19.7±2.6 GPa。仿生网膜显示出杰出的循环使用性、耐盐性、耐酸碱性和机械性能。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ051.893;X703
【图文】：

油污染,石油泄漏

江苏大学硕士学位论文第一章绪论源及危害、运输和使用过程中，漏油事故频繁发生，给生，2010 年，墨西哥湾石油泄漏事故是一个典型例油漏事故，石油泄漏量约为 490 万桶，对海洋生造成了严重危害[2]。除此之外，工业含油废水、医剂（苯、甲苯、环己烷、二氯甲烷等）的随意排1，对水体生物的生存与繁殖造成影响，威胁到环，迫切地需要开发快速、高效、稳定的含油废水

荷叶,动植物,自然界,润湿性

烃类、含氟化合物等；无机材料主要有金属膜、合金膜、陶瓷膜等；复合材料包括改性织物、改性金属网等。然而，这些传统膜材料由于膜通量低、表面易污染、循环性能差等缺点[8]，极大地限制其在含油污水处理方面的实际应用，人们迫切需要开发出高效稳定、高通量、自清洁的新型油水分离膜材料。1.2 特殊浸润性油水分离材料研究进展受自然界中荷叶[9]、玫瑰花瓣[10]、水稻叶[11]、蝴蝶翅膀[12]、鱼鳞[13]、沙漠甲虫[14]等动植物表面特殊浸润性的启发，人们对这些生物表面结构进行了分析，如图 1.2，发现多级微-纳米结构和特殊化学组成使这些动植物表面表现出特殊浸润性能[13,15]。人们根据仿生学原理成功制备了不同浸润性能的材料，将其应用于油水分离、包装、运输工具、建筑、微流体控制等领域[16-19]。同时，人们还对特殊浸润性表面进行了理论分析与总结。

【参考文献】