疏水改性聚氨酯泡沫的制备及其在油水分离中的应用研究

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海洋溢油的时常发生以及有机溶剂的违规排放给水生环境和人类健康带来了严重的危害。相比于其他传统处理方式,吸附分离因实施简单、分离效果强、油品可回收等特点被认为是最具潜力的油水分离方式。三维多孔聚氨酯泡沫,具有丰富的孔道结构、比表面积大、孔隙率高,可作为含油废水的吸附材料,应用于油水分离领域。但聚氨酯泡沫的油水选择性较差,本文基于可润湿理论,对聚氨酯泡沫进行了疏水改性,制备出三种油水选择性强、可重复利用的高效吸油剂。本文的具体研究内容和结论如下:(1)利用十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)对生物质材料花生壳粉末(PSP)进行疏水改性,制备得到疏水改性花生壳粉末(H-PSP)。以水接触角为考察指标,确定了最优改性条件为:HDTMS的用量为4.5 mL,改性液水解时间为18 h,改性时间为2 h。然后采用预聚体法制备了负载不同质量分数的疏水改性花生壳粉末(H-PSP)的复合聚氨酯泡沫(H-PSP-PUF-s)。红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、热稳定性(TG)分析表明,成功制备出H-PSP-PUF-s。综合考虑水接触角(WCA)和机械性能,最终确定H-PSP的负载量为10%时,制得的复合泡沫H-PSP-PUF-10的性能最佳。相比于未负载H-PSP的聚氨酯泡沫(PUF),H-PSP-PUF-10的静态水接触角达到148.6°,提高了 56°,而孔隙面积为8.26m2/g,孔隙率为83.89%,稍有下降。油水分离实验结果表明,H-PSP-PUF-10具有良好的选择性吸附能力,对静态油水分离和动态持续油水分离均具有较高的效率。且被H-PSP-PUF-10吸收的油可以通过简单的挤压来收集,降低了资源的浪费;解吸后的H-PSP-PUF-10可循环应用于油水分离,具有优异的稳定性。(2)结合主链嵌段改性和表面接枝改性,制备了有机硅化合物疏水改性的聚氨酯泡沫(H-P-PUF)。利用端羟基聚二甲基硅氧烷(PDMS-OH)改性聚氨酯预聚体(PPU),得到有机硅改性的聚氨酯预聚体(P-PPU);然后将P-PPU通过预聚体法制备出聚氨酯泡沫(P-PUF);经刻蚀液粗化后,再浸渍接枝HDTMS,得到H-P-PUF。FT-IR、SEM、EDS等表征结果证实了H-P-PUF的成功制备;WCA测定结果表明:当PDMS-OH嵌入量的质量分数为15%、铬酸粗化时间为2 min时,通过浸渍HDTMS溶液后制备的H-P-PUF-15水接触角达146°,具有良好的疏水性。与未改性的聚氨酯泡沫(PUF)相比,H-P-PUF-15具有更大的总孔隙面积16.79 m2/g和孔隙率87.84%;而H-P-PUF-15的结晶性稍有降低;TG测定结果说明H-P-PUF-15在高温下仍具有优异的热稳定性。油水分离应用实验结果表明:H-P-PUF-15对各种油品的吸附容量均达到10g/g以上,且经10次吸附-解吸循环后,H-P-PUF-15仍能对原油保持较高的吸附容量13 g/g,而且H-P-PUF-15具有较好的耐酸、耐碱、耐盐性。(3)首先制备了疏水二氧化硅纳米粒子(H-SiO2 NPs),然后将其作为改性剂,通过预聚体法合成了一系列负载量不同的H-SiO2 NPs改性的聚氨酯泡沫(H-SiO2NPs/PUF-s),并对其结构和疏水性等性能进行了表征,对吸油能力和循环吸附率进行了检测。结果表明:当H-SiO2 NPs的用量为10%时,制备的H-SiO2 NPs/PUF-10的水接触角为147°,表现出良好的疏水性。相比于未改性的PUF,H-SiO2 NPs/PUF-10具有更大的总孔隙面积16.24 m2/g和孔隙率88.43%;EDS的测试结果表明:H-SiO2NPs/PUF-10结构中的各元素分布均匀。吸油实验和循环吸附实验结果表明:H-SiO2 NPs/PUF-10对各种油品的吸附容量均达到12g/g以上,且经10次吸附-解吸循环后,H-SiO2 NPs/PUF-10仍能对原油保持14.5 g/g的吸附容量,具有极高的稳定性。采用不同材料和方法制备了三种疏水改性聚氨酯泡沫材料,均表现出良好的疏水性和稳定性,在原油的分离处理中具有潜在的应用前景。
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