超亲水超疏油复合网膜的制备及其油水分离性能研究

发布时间：2017-10-01 20:17

  本文关键词：超亲水超疏油复合网膜的制备及其油水分离性能研究

  更多相关文章： 特殊润湿性 微纳粗糙结构 刺激响应 重组装 薄膜 油水分离

【摘要】：生活污水及工业废水的大量排放、海上漏油事故的频频发生,对我们的污水处理能力提出了巨大的挑战。含油废水对环境造成了巨大的危害,如石油漂浮在海面上,迅速扩散形成一层不透气的油膜会阻碍水体的复氧作用,影响海洋浮游生物生长,破坏海洋生态平衡。含油污水处理起来也极为困难、效率低、成本高。膜分离具有能耗低、单级分离效率高、过程灵活简单、环境污染低、通用性强等优点,但是膜分离应用效率受膜的抗污染性、热稳定性、化学稳定性等内在因素及膜组件形式、操作条件等外在因素的限制。含油废水的超亲水超疏油膜处理法,即所谓Water-Removing法,该膜在空气或水中超疏油,并且对油表现出极低的粘附力,滚动接触角仅2~3°,有效防止了油滴的粘附。当含油废水接触膜表面时,水可以源源不断往下渗透,而表面始终保持超疏油性,油截留在表面从而达到油水分离的效果,且由于膜的潜在憎油性,油始终无法污染膜表面,是一种真正的抗污染、低能耗、长寿命、高效率的分离膜,从而成为未来油水分离膜的主要发展方向。本论文在这一背景下,致力于研究开发超亲水超疏油油水分离膜,重点工作围绕着膜的表面润湿性、膜的化学稳定性和分离效率等的理论和应用方面展开,具体工作如下:(1)毛细力学在超亲水膜分离过程中的应用及其力学模型的构建。文中运用毛细力学的思想考察超亲水膜分离过程的相关物理量,将基于特殊润湿性的膜材料的膜孔归类为毛细管孔道,在此基础上建立数学模型,对超亲水膜分离油水混合物中的受力情况进行了详细分析。从表面张力的角度计算分析了空气中超亲水超亲油膜在水下超疏油的原理;从毛细动力学的角度出发对膜分离过程中的毛细流动速率、毛细管总渗透速率、膜通量以及临界穿透压力等量进行了详细的计算,并通过实验进行了检验;在此基础上初步从毛细力学角度探讨了超亲水及水下超疏油分离膜的分离机理,为后面的实验制备提供理论指导。(2)超亲水及水下超疏油油水分离膜的制备及油水分离性能测试。以机械性能良好的不锈钢丝网作为基材,以富含羟基的、具有优良成膜性、亲水性和保水性能的聚乙烯醇和羟基丙烯酸树脂为基本成膜物质、戊二醛为交联剂,掺杂亲水的无机纳米Si O2颗粒,构造了微纳粗糙结构,发现采用多次逐级涂装的方法,有利于提高膜的表面粗糙度,从而使膜的表面在自然环境下具有稳定的超亲水性能,采用简单的浸涂两步涂装法和加热固化法成功制备了水环境下具有超亲水和超疏油性质的油水分离膜。该膜可以有效分离各类油水混合物,如植物油、汽油、柴油和原油的油水混合物等,分离效率高达99%,可使处理后的污水含油量低于50mg/l。在分离过程中,网膜的水下超疏油和对油低粘附的特性使网膜不易被油粘附和污染,从而使油和材料的回收再利用简单易行。(3)UV固化超亲水及水下超疏油油水分离膜的制备及油水分离性能测试。首先以具有良好防腐蚀性能和环境友好性的UV固化PUA/EA复合乳液对不锈钢丝网进行底涂前处理,在不锈钢丝网上构筑防腐保护层;接着以环境友好的、富含羟基的亲水性能优异的聚乙二醇二丙烯酸酯系列UV固化低聚物作为基础成膜物质,以PVA作为乳化剂,掺杂亲水的无机纳米Si O2颗粒,采用UV固化法构造了微纳粗糙结构;最后以亲水的较大分子量的单官能的聚乙二醇二丙烯酸酯UV固化低聚物对膜的表面进行接枝,从而使膜的表面具有分子刷结构,得到一种适用于复杂化学环境和具有自清洁功能的,水环境下具有超亲水和超疏油性质的油水分离膜。该膜可以有效分离各类油水混合物,使处理后的污水含油量低于50mg/l。在分离过程中,网膜能够有效抵制废水中酸对基材的腐蚀,膜表面的亲水分子刷结构使油在膜表面的粘附力极低,网膜不易被油粘附和污染。(4)湿度响应超亲水超疏油油水分离膜的制备及油水分离性能测试。首先,以具有良好防腐蚀性能和环境友好性的UV固化PUA/EA复合乳液对不锈钢丝网进行底涂防腐前处理;其次,合成了亲水疏油聚合物作为基础成膜物质掺杂上一章中的UV固化亲水涂料中,以PVA作为乳化剂,掺杂亲水的无机纳米Si O2颗粒和疏油改性的无机纳米Si O2颗粒,构造了微纳粗糙结构,采用简单的浸涂涂装法和光热双重固化法成功制备了水刺激响应超亲水和超疏油性质的油水分离膜。该膜置于水环境下一段时间后,在水的刺激相互作用下,亲水基团会自组装到膜的表层,疏油基团位于底层,从而表面具有稳定的亲水性,而膜的底层是疏水疏油的,在液柱压力的作用下,水可以穿透下层疏水层而渗透下去,而油则需要穿越上层亲水层和下层疏水疏油层的双重保护才能渗透,故而,调节合适的过滤压力,可以仅使水能够渗透,而油不能渗透,达到油水分离效果。而由于此类型的膜具有亲水层和疏水疏油层双层抗油污染层,从而具有更好的耐污性能。
【关键词】：特殊润湿性 微纳粗糙结构 刺激响应 重组装 薄膜 油水分离
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;TQ051.893
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-17
• 第一章 绪论17-60
• 1.1 引言17-18
• 1.2 含油污水及常用处理方法概述18-21
• 1.2.1 含油污水概述18-20
• 1.2.2 常用含油废水处理方法概述20-21
• 1.3 常用于废水处理的膜分离法概述21-26
• 1.3.1 按膜的孔径方式分类22-23
• 1.3.1.1 微滤膜22
• 1.3.1.2 超滤膜22
• 1.3.1.3 反渗透膜22
• 1.3.1.4 纳滤膜22-23
• 1.3.2 按膜的结构分类23
• 1.3.3 按制备膜的材质分类23-25
• 1.3.4 基于特殊润湿性的分离膜25-26
• 1.4 特殊润湿性表面的构建原理及其技术26-38
• 1.4.1 表面化学基础理论27-32
• 1.4.1.1 静态接触角与表面张力关系方程27-29
• 1.4.1.2 水下超疏油的表面化学机理29-31
• 1.4.1.3 液滴在固体表面粘附力状态模型31-32
• 1.4.1.4 滚动接触角32
• 1.4.2 特殊润湿性表面的构建原理32-34
• 1.4.3 特殊润湿性表面的制备方法34-37
• 1.4.4 膜的表面改性技术37-38
• 1.5 基于特殊润湿性分离膜的性能38-40
• 1.5.1 膜的基本性能及影响因素38
• 1.5.2 膜分离效率38-39
• 1.5.3 膜溶胀及其解决途径39
• 1.5.4 膜污染及其解决途径39-40
• 1.6 特殊润湿性油水分离膜的研究进展40-57
• 1.6.1 超疏水超亲油油水分离膜40-44
• 1.6.2 超亲水超疏油油水分离膜44-57
• 1.6.2.1 刺激响应超亲水超疏油膜44-50
• 1.6.2.1.1 电刺激响应超亲水超疏油膜45-46
• 1.6.2.1.2 水刺激响应超亲水超疏油膜46-47
• 1.6.2.1.3 光刺激响应超亲水超疏油膜47-48
• 1.6.2.1.4 温度及pH响应超亲水超疏油膜48-49
• 1.6.2.1.5 溶剂响应超亲水超疏油膜49
• 1.6.2.1.6 金属离子响应性油水分离膜49-50
• 1.6.2.2 超亲水及水下超疏油网膜50-51
• 1.6.2.3 无机结晶纳米线超亲水网膜51-53
• 1.6.2.4 分子刷结构超亲水网膜53-55
• 1.6.2.5 可用于油水乳液分离的网膜55-57
• 1.7 本文的目的、意义与研究内容57-60
• 1.7.1 选题的目的与意义57-58
• 1.7.2 本文的主要研究内容58-60
• 第二章 毛细力学在超亲水膜分离过程中的应用及其力学模型60-73
• 2.1 引言60-61
• 2.2 数学模型61-62
• 2.3 受力分析62-67
• 2.3.1 物理受力分析62-64
• 2.3.2 临界穿透高度计算64-65
• 2.3.2.1 纯油的临界穿透压力64-65
• 2.3.2.2 水下油的临界穿透压力65
• 2.3.3 表面张力分析65-67
• 2.3.3.1 膜的表面接触角表征65-66
• 2.3.3.2 水下超疏油机理分析66-67
• 2.4 基于毛细动力学的计算67-71
• 2.4.1 毛细流动速率67-68
• 2.4.1.1 毛细流动速率方程68
• 2.4.1.2 体积流速68
• 2.4.1.3 平均毛细管速率68
• 2.4.2 膜通量计算68-70
• 2.4.2.1 理论推导计算69
• 2.4.2.2 实验验证69-70
• 2.4.3 毛细力学对膜分离机理的分析70-71
• 2.5 本章小结71-73
• 第三章 超亲水及水下超疏油高分子复合膜的制备及油水分离性能73-92
• 3.1 前言73-74
• 3.2 实验部分74-80
• 3.2.1 实验原料74-76
• 3.2.2 仪器设备76
• 3.2.3 实验步骤76-78
• 3.2.3.1 溶胶-凝胶法制备纳米硅溶胶76-77
• 3.2.3.2 羟基丙烯酸树脂水分散体的制备77
• 3.2.3.3 PVA水溶液的配制77-78
• 3.2.3.4 超亲水网膜的制备78
• 3.2.4 测试与表征78-80
• 3.2.4.1 粘度测试78
• 3.2.4.2 粒径测试78-79
• 3.2.4.3 分子量测试79
• 3.2.4.4 红外测试79
• 3.2.4.5 接触角测试79
• 3.2.4.6 扫描电子显微镜分析79
• 3.2.4.7 分离前后含油量测试79-80
• 3.2.4.8 膜的物理性能测试80
• 3.3 实验结果与讨论80-90
• 3.3.1 羟基丙烯酸树脂的合成与表征80-81
• 3.3.2 纳米SiO_2表征81-83
• 3.3.3 PVA水凝胶复合膜表面形貌分析83-85
• 3.3.3.1 无机粒子掺杂比例多表面形貌的影响83-84
• 3.3.3.2 涂装次数对表面形貌的影响84-85
• 3.3.4 PVA水凝胶复合膜表面浸润性分析85-87
• 3.3.5 PVA水凝胶复合膜油水分离性能测试87-88
• 3.3.6 PVA水凝胶复合膜的机械性能测试88-89
• 3.3.7 交联剂用量对膜性能的影响89-90
• 3.4 本章小结90-92
• 第四章 UV固化超亲水及水下超疏油复合膜的制备及油水分离性能92-116
• 4.1 前言92-93
• 4.2 实验部分93-99
• 4.2.1 实验原料93-94
• 4.2.2 仪器设备94-95
• 4.2.3 实验步骤95-96
• 4.2.3.1 UV固化PUA/EA复合乳液的制备95-96
• 4.2.3.2 UV固化超亲水及水下超疏油膜的制备96
• 4.2.4 测试与表征96-99
• 4.2.4.1 NCO含量测定97
• 4.2.4.2 固化时间及固化膜性能测试97
• 4.2.4.3 表面张力测定97
• 4.2.4.4 柔韧性测定97
• 4.2.4.5 粒径测定97
• 4.2.4.6 电导率测定97
• 4.2.4.7 透射电镜测定97
• 4.2.4.8 热分析测定97-98
• 4.2.4.9 红外测试98
• 4.2.4.10 接触角测试98
• 4.2.4.11 扫描电子显微镜分析98
• 4.2.4.12 分离前后含油量测试98-99
• 4.2.4.13 膜的物理性能测试99
• 4.3 实验结果与讨论99-115
• 4.3.1 UV固化复合乳液的制备99-107
• 4.3.1.1 红外分析99-100
• 4.3.1.2 羧基含量对PUA预聚体乳化能力的影响100-101
• 4.3.1.3 羧基含量对乳化过程-相反转过程的影响101-103
• 4.3.1.4 中和度的影响103-104
• 4.3.1.5 EA含量的影响104-107
• 4.3.2 UV固化超亲水复合膜表面形貌分析107-110
• 4.3.2.1 膜的表面形貌分析107-108
• 4.3.2.2 纳米SiO_2掺杂量对膜形貌的影响108-110
• 4.3.3 UV固化超亲水复合膜表面浸润性分析110-111
• 4.3.4 UV固化超亲水复合膜油水分离性能分析111-114
• 4.3.4.1 分离不含乳化剂油水混合物111-112
• 4.3.4.2 分离O/W型油水乳液112-114
• 4.3.5 UV固化超亲水复合膜的机械性能测试114-115
• 4.4 本章小结115-116
• 第五章 湿度响应性超亲水超疏油复合网膜的制备及油水分离性能116-135
• 5.1 前言116-117
• 5.2 实验部分117-122
• 5.2.1 实验原料117-118
• 5.2.2 仪器设备118-119
• 5.2.3 实验步骤119-121
• 5.2.3.1 亲水纳米二氧化硅的疏油改性119
• 5.2.3.2 双亲聚合物的合成119-120
• 5.2.3.3 湿度响应油水分离膜的制备120-121
• 5.2.4 测试与表征121-122
• 5.2.4.1 红外测试121
• 5.2.4.2 粒径测定121
• 5.2.4.3 接触角测试121
• 5.2.4.4 扫描电子显微镜分析121-122
• 5.2.4.5 分离前后含油量测试122
• 5.2.4.6 膜的物理性能测试122
• 5.3 结果与讨论122-133
• 5.3.1 改性纳米SiO_2的表征122-124
• 5.3.2 湿度响应超亲水复合膜表面形貌分析124
• 5.3.3 湿度响应超亲水复合膜表面浸润性分析124-126
• 5.3.3.1 水在湿度响应超亲水复合膜表面接触角124-125
• 5.3.3.2 油在湿度响应超亲水复合膜表面接触角125-126
• 5.3.4 超亲水复合膜湿度响应机理分析126-128
• 5.3.5 湿度响应超亲水复合膜油水分离性能分析128-132
• 5.3.5.1 分离不含乳化剂油水混合物128-129
• 5.3.5.2 分离O/W油水乳液129-130
• 5.3.5.3 分离W/O油水乳液130-132
• 5.3.6 湿度响应超亲水复合膜的机械性能测试132-133
• 5.4 本章小结133-135
• 结论与展望135-139
• 参考文献139-157
• 攻读博士学位期间取得的研究成果157-161
• 致谢161-162
• 附件162

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 袁腾;陈任;王锋;涂伟萍;;UV固化PUA/EA核壳复合乳液的制备与性能[J];高校化学工程学报;2014年04期

2 廖渴;叶翔宇;徐志康;;聚丙烯/碳酸钙复合无纺布的仿生矿化制备及其在油水分离中的应用[J];高分子学报;2014年09期

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本文编号：955461