智能表面可润湿性材料的研究进展

润湿现象广泛存在于自然界和工程应用中,智能表面可润湿性材料日益成为研究的热点,近年来引起了人们的广泛关注。综述了润湿性的理论模型、疏水/亲油行为理论和亲水/水下超疏油理论,同时对近些年来国内外可润湿性的不同响应系统(电、pH、光、热、离子等响应刺激系统)进行了综述,改变响应材料的表面和化学性质,导致材料可润湿性的改变。展望了未来可润湿性的研究方向,对润湿表面理论和应用方面存在的一些挑战进行了总结和建议。

PVA型超亲水-水下超疏油过滤膜油水分离性能研究

稀土萃取分离生产过程中会产生大量的含油废水亟待处理,超亲水-水下超疏油过滤膜为稀土冶炼含油废水带来了新的解决方案。以过滤棉为基材,以富含羟基的聚乙烯醇(PVA)与亲水的纳米二氧化硅溶胶为前驱体,以戊二醛为交联剂制备了PVA型超亲水-水下超疏油过滤膜。接触角测试表明,在空气介质中对水的接触角为0°,在水介质中对油的接触角为155.3°,具备优良的超亲水-水下超疏油性能。对制备的PVA型超亲水-水下超疏油过滤膜进行油水分离实验发现,3次重复实验过滤膜的平均油水分离率为97.5%,膜通量为11.89 L/(m^(2)·s),经30次油水分离循环测试,该过滤膜仍具有95.3%的油水分离率和11.06 L/(m^(2)·s)的膜通量,展现了较好的耐久性和稳定性,具有一定的工业推广应用前景。

NiAl_(2)O_(4)涂层膜的制备及其在油水分离中的应用

以聚偏氟乙烯(PVDF)有机膜为基底,单宁酸(TA)为胶结剂,将尖晶石NiAl_(2)O_(4)无机纳米颗粒均匀修饰到PVDF膜表面,制备了超亲水/水下超疏油型NiAl_(2)O_(4)/TA/PVDF复合膜。系统研究了NiAl_(2)O_(4)/TA/PVDF复合膜的结构、形貌和表面润湿性,评价了复合膜在典型的油水乳液分离中的性能。实验结果表明,NiAl_(2)O_(4)/TA/PVDF复合膜对稳定的油水乳液表现出优异的分离效率(分离效率均高于99%)和较高的膜通量(682~1302 L·m^(-2)·h^(-1))。此外,由于膜表面的粗糙结构和特殊润湿性,NiAl_(2)O_(4)/TA/PVDF复合膜具有较好的抗油污染性能,在循环8次分离水包油乳液后仍具有较高的分离效率和膜通量,表现出良好的机械性能和可再生性。本研究为构筑尖晶石基油水分离膜及其在油水分离中的应用提供了新的思路。

超亲水/水下疏油高硅布的制备及其油水分离性能

以机械强度高、柔性好和耐热耐酸的高硅布(HSC)为基底,通过一步接枝法和自聚合法对其浸润性给予改性。采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)作为“双面胶”接枝在其表面:一面利用静电作用沉积纳米SiO_(2)提供表面粗糙度,另一面聚合具有强亲水性的聚多巴胺(PDA),获得了超亲水/水下疏油高硅布(APTES/SiO_(2)/PDA@HSC)。研究了不同尺寸(50、300和500 nm)的SiO_(2)对油水分离性能的影响,发现随着SiO_(2)尺寸增加,分离效率逐渐降低,其中APTES/50 nm SiO_(2)/PDA@HSC的油水分离性能最好。它的水接触角为0(°),表现出明显的水下疏油性能,对汽油-水混合物分离效率为98%,滤液含油量低至37 mg/L,油水混合物通量为7184 L/(m^(2)·h),10次循环分离效率仍能达到97.4%,对花生油和泵油也有明显的油水分离效果。

超亲水/水下超疏油铜基网膜的制备及油水分离实验

本文以紫铜网为基底,通过溶液浸泡法制备了具有超亲水/水下超疏油性质的油水分离网膜。通过扫描电子显微镜分析铜网的表面形态,图像显示网膜表面均匀生长着密集分布的树枝状微米线粗糙结构,径向排列,层层堆叠。通过接触角测量仪分析润湿性质,水滴在铜网表面的接触角为0°,水中的油滴接触角大于155°,说明铜网在空气中具有超亲水性,在水下具有超疏油性。通过油水分离实验,发现铜网仅在重力作用下即可高效分离不同种类的油水混合液,分离效率超过90%。网膜可重复使用,易于清洁。

超亲水-空气疏油水下超疏油不锈钢网的制备及性能

随着人类社会的进步与发展,工业上的石油泄漏以及含油废水的处理成为亟待解决的重要问题,网膜分离法因具有较高的分离效率且容易操作等优点逐渐成为新的研究热点。本工作将3⁃巯丙基三乙氧基硅烷(KH⁃580)和带阳离子的[2⁃(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵(DMC)通过点击反应和脱水缩合反应接枝在纳米二氧化硅(SiO_(2))上,并使其与带阴离子的全氟辛酸钠(PFOA⁃Na)反应,喷涂于不锈钢金属网上,制备成超亲水⁃空气疏油水下超疏油金属网。之后采用接触角测量仪、傅里叶红外光谱仪、扫描电子显微镜等对其进行了表征,并且考察了纳米二氧化硅的质量对水下接触角的影响。结果表明,纳米二氧化硅表面成功接枝了季胺阳离子,并且与全氟辛酸钠上的阴离子反应,而且超亲水⁃空气疏油水下超疏油金属网在空气中与水的接触角为0°,达到了超亲水状态,在空气中对食用油的接触角为120°。几种有机油的水下接触角大于150°,选择0.4 g作为合适的纳米二氧化硅质量,取得的水下接触角和孔径较优。超亲水⁃空气疏油水下超疏油金属网对实验的五种有机油的分离效率大于96.85%,测得五种有机油的最大分离通量为23192 L/(m_(2)·h),选择食用油作为研究对象,经过30次分离循环后分离效率也不低于95.65%,这表明超亲水⁃空气疏油水下超疏油金属网具有良好的稳定性和实用性。

超亲水性金属有机框架膜对油水混合物的高效分离及传质机理

化工废水大量排放和漏油、溢油事故频发对环境保护和生态平衡造成巨大的影响。本文提出了一种简单、节能、环保友好的金属有机框架膜制备方法用于油水分离。采用电化学方法在铜网上沉积金属有机框架材料获得超亲水性膜(Cu-CAT-1@铜网)。在重力驱动下,Cu-CAT-1@铜网膜能快速分离各种油/水混合物,分离效率大于95.0%,水通量大于112 kL·m^(-2)·h^(-1)。其分离性能高于大部分报道的铜网基底膜,并具有良好的重复性和可回收性。该膜传质机理主要基于Cu-CAT-1的超亲水性和水下超疏油性达到高效分离含油污水。