仿生超浸润金属筛的电化学调控及其在油水分离方面的应用

发布时间：2017-05-16 19:03

  本文关键词：仿生超浸润金属筛的电化学调控及其在油水分离方面的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着全球工业规模的扩大与人口的持续增长,化工、运输、制革、冶金等领域产生大量的含油废水,不仅严重影响了人们的健康与生活,而且还造成了不可再生资源的严重浪费。因此,油水分离技术的研究对于环境保护和资源回收都有着重大的意义。大自然中有许多特殊的表面,如荷叶、玫瑰花瓣、天鹅的羽毛、蝴蝶的翅膀、水蜘蛛的腿,水可以在其表面极易滚动。人们通过向自然学习,从仿生学角度出发,对微纳结构表面特性展开了一系列研究,并以此为启发进行超疏水功能材料的设计与制备。仿生超浸润界面材料可根据水和油在其表面润湿性能的不同,能将油水混合物高效分离,而备受人们关注。本文分别制备了超疏水CP/SC不锈钢网、水下超疏油Cu(OH)_2泡沫铜和超疏水Cu(OH)_2/NDM泡沫铜,并设计了油水分离装置对其油水分离性能进行了研究。采用一种简单可控的电化学脉冲聚合法(PPM),在不锈钢网基体上成功制备了同轴电缆式的具有微米/纳米复合粗糙结构的导电聚合物膜(PANI或PPy)。再利用十八烷基酰氯(SC)进行化学修饰,获得了水的接触角为154°、油的接触角为0o的超疏水/超亲油CP/SC不锈钢网。该超疏水不锈钢网可用于分离正己烷/水、石油醚/水、汽油/水、柴油/水等油水混合物,其分离效率可高达98%以上。在重复使用25次之后(以分离正己烷/水混合物为例),其分离效率仍然高达99.9%。更重要的是,我们所制备的超疏水网具有优良的机械稳定性、自适应性、抗氧化和抗腐蚀能力,在长期暴露、超声震荡以及强酸、强碱、氧化剂溶液中仍能够表现出良好的超疏水性能和高效的油水分离性能,这类超疏水网的腐蚀速率相比于原不锈钢网最高可降低近60倍。本次研究为目前的油水分离材料的制备提供了新的思路,所制备的超疏水CP/SC不锈钢网在油水分离方面具有潜在的应用前景。通过电沉积法在泡沫铜表面制备了宝塔状的微米铜颗粒,再经化学氧化在其表面生成Cu(OH)_2纳米线,该表面的水滴接触角为0o而水下油接触角为165o,表现出优异的超亲水/水下超疏油特性。然后,利用十二烷基硫醇(NDM)对Cu(OH)_2泡沫铜进行表面修饰得到超疏水/超亲油Cu(OH)_2/NDM泡沫铜,其水接触角为154o,油的接触角为0o。电沉积极大地增强了泡沫铜的机械强度,通过调整电沉积时间优化了泡沫铜的三维孔道,电沉积时间为60分钟的Cu(OH)_2泡沫铜、Cu(OH)_2/NDM泡沫铜对油水混合物的分离性能达到最优。我们通过利用这两种具有互补的润湿特性的Cu(OH)_2、Cu(OH)_2/NDM泡沫铜,设计了一种双向式的润湿识别油水连续分离器。克服了单一膜油水分离器半连续、处理量小、净化度低的缺点,实现了对油水混合物连续、快速、高效的分离。更重要的是,我们通过对泡沫铜电沉积时间的进一步调节,获得的电沉积为120分钟的超疏水Cu(OH)_2/NDM泡沫铜可以高效快速地分离油水乳液。此外,经研究表明,我们所制备的Cu(OH)_2泡沫铜具有优异的抗水流冲击性能与耐摩擦的性能。
【关键词】：仿生 超疏水 稳定性 电沉积 接触角 油水分离 油水乳液
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.894
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 文献综述11-29
• 1.1 引言11-12
• 1.2 表面浸润性基础理论12-16
• 1.2.1 接触角与Young氏方程13
• 1.2.2 Wenzel模型13-14
• 1.2.3 Cassie-Baxter模型14-15
• 1.2.4 Wenzel和Cassie-Baxter模型的关系15
• 1.2.5 水下油滴的接触角15-16
• 1.3 超浸润表面的制备方法16-19
• 1.3.1 模板法16-17
• 1.3.2 气相沉积法17
• 1.3.3 电纺丝法17-18
• 1.3.4 电化学沉积法18
• 1.3.5 刻蚀法18-19
• 1.3.6 其他制备方法19
• 1.4. 超浸润性表面在油水分离方面的应用19-23
• 1.4.1 超疏水吸油泡沫与海绵19-20
• 1.4.2 超疏水吸油颗粒20-21
• 1.4.3 超疏水油水分离滤网21-22
• 1.4.4 超亲水油水分离滤网22-23
• 1.5 课题研究意义及主要工作23-24
• 1.5.1 研究意义23-24
• 1.5.2 研究内容与方法24
• 参考文献24-29
• 第二章 实验部分29-35
• 2.1 实验试剂与仪器29-31
• 2.2 油水分离筛的制备31-32
• 2.2.1 超疏水CP/SC不锈钢网的制备31
• 2.2.2 超亲水Cu(OH)_2泡沫铜和超疏水Cu(OH)_2/NDM泡沫铜的制备31-32
• 2.3 分析测试方法32-35
• 2.3.1 扫描电子显微镜(SEM）32
• 2.3.2 X射线衍射仪(XRD)分析32
• 2.3.3 傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)分析32-33
• 2.3.4 静态接触角分析仪33
• 2.3.5 极化曲线的测定33-34
• 2.3.6 红外分光测油仪34
• 2.3.7 卡尔费休微量水分测定仪34-35
• 第三章 自适应性与高稳定性同轴电缆式超疏水不锈钢网的制备及其在油水分离方面的应用35-59
• 3.1 引言35-36
• 3.2 实验部分36-38
• 3.2.1 CP膜不锈钢网的制备36-37
• 3.2.2 超疏水不锈钢网的制备37
• 3.2.3 油水分离测试37-38
• 3.3 结果与讨论38-53
• 3.3.1 超疏水CP/SC不锈钢网的形成过程与形成机理38-40
• 3.3.2 超疏水CP/SC网的表面形貌与化学组成分析40-42
• 3.3.3 超疏水CP/SC网的润湿性能42-45
• 3.3.4 油水分离45-49
• 3.3.5 超疏水CP/SC网的机械性能分析49-50
• 3.3.6 超疏水CP/SC网的耐久性与抗氧化性能分析50-51
• 3.3.7 超疏水CP/SC网的抗腐蚀性能分析51-53
• 3.4 小结53-54
• 参考文献54-59
• 第四章 水下超疏油Cu(OH)_2和超疏水Cu(OH)_2/NDM泡沫铜的制备及其油水连续分离性能研究59-85
• 4.1 引言59-61
• 4.2 实验部分61-63
• 4.2.1 电沉积61
• 4.2.2 Cu(OH)_2泡沫铜的制备61
• 4.2.3 Cu(OH)_2/NDM泡沫铜的制备61
• 4.2.4 油水分离61-62
• 4.2.5 稳定性测试62-63
• 4.3 结果与讨论63-81
• 4.3.1 Cu(OH)_2、Cu(OH)_2/NDM的形成机理与油水连续分离过程63-64
• 4.3.2 表面形貌分析64-65
• 4.3.3 化学成分分析65-67
• 4.3.4 润湿特性67-70
• 4.3.5 超亲水/水下超疏油Cu(OH)_2泡沫铜的油水分离性能研究70-72
• 4.3.6 超疏水Cu(OH)_2/NDM泡沫铜的油水分离性能研究72-74
• 4.3.7 连续分离74-76
• 4.3.8 油水乳液分离76-78
• 4.3.9 抗水流冲击性能测试78-79
• 4.3.10 耐摩擦性能测试79-80
• 4.3.11 拉伸测试80-81
• 4.4 小结81-82
• 参考文献82-85
• 第五章 结论、创新点及展望85-89
• 5.1 结论85-86
• 5.2 创新点86
• 5.3 展望86-89
• 致谢89-91
• 攻读硕士期间发表的学术论文91

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本文编号：371641