【摘 要】
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全球能源需求的快速增长刺激了石油相关产业的快速发展,导致海上石油生产和运输过程中的石油污染事故频繁发生,同时,社会工业化进程速度的加快伴随着含有机污染物的工业废水排放量急剧增加,这些问题对生态环境和人类健康造成了巨大的威胁。因此,含油废水的处理已成为全球性挑战之一,如何实现高效的油水分离以及污染物的去除成为了亟待解决的问题。与传统油水分离材料相比,超润湿性材料具有节能、操作简单、分离效率高、适用范
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全球能源需求的快速增长刺激了石油相关产业的快速发展,导致海上石油生产和运输过程中的石油污染事故频繁发生,同时,社会工业化进程速度的加快伴随着含有机污染物的工业废水排放量急剧增加,这些问题对生态环境和人类健康造成了巨大的威胁。因此,含油废水的处理已成为全球性挑战之一,如何实现高效的油水分离以及污染物的去除成为了亟待解决的问题。与传统油水分离材料相比,超润湿性材料具有节能、操作简单、分离效率高、适用范围广等优点,近年来在油水分离领域得到了广泛的应用。其中,超疏水-超亲油材料作为超润湿性材料是典型的阻水材料,它能完全排斥水,同时使油类或有机溶剂被吸附或者透过,从而实现水和油的高效、选择性分离。事实上,工业废水成分复杂,不仅含有分层型油水混合物,还含有更难处理的油水乳液和水溶性有机物。因此,设计能同时处理乳液以及消除水中各种污染物的多功能材料在工业应用中是十分必要和重要的。为了应对实际应用时的复杂情况,本文以材料的选择和设计为出发点,通过简单、经济、环保的方法设计并制备了两种多功能超疏水材料,实现了高效油水分离、降解水溶性污染物以及乳液处理的目的,主要操作如下:通过磁力搅拌的方式在三聚氰胺海绵(MS)骨架表面原位生长Bi OBr纳米颗粒晶体,使得材料表面粗糙度增加,并引入光催化降解能力。随后,海绵经全氟辛酸(PFOA)修饰,整体表面能降低,并以3-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-540)作稳定粘合剂,使材料稳定性增强,从而构建出p H响应型多功能油水分离材料S-Bi OBr@MS海绵。利用SEM、XRD、FT-IR以及XPS等表征方法,对材料的形貌及化学组成进行了表征。S-Bi OBr@MS海绵的制备工艺简单,生产成本低,无需复杂的设备和苛刻的实验条件,材料表面润湿性呈超疏水-超亲油性,在空气中对水的接触角高达157°,对多种油类及有机溶剂有极高的吸附能力,饱和吸附容量高达自身质量的13.98~36.10倍。同时,S-Bi OBr@MS海绵具有p H响应能力,经碱处理的材料转化为具有超亲水-水下超疏油性的H-Bi OBr@MS海绵,实现极端润湿性的转化,水下油接触角可达151°,可高效光催化降解多种水溶性污染物。两种材料均可用于油水分离,且分离效率极高,并拥有超强的稳定性和较好的循环使用能力,可广泛用于收集浮油、油水分离和光催化降解污染物等多种行业。通过一种简捷的浸泡腐蚀方式使得铜网表面被氧化,生成片状Cu3(PO4)2晶体,从而使得材料表面具备微米级结构,再利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)在材料表面吸附Zn2+进而原位生长ZIF-7纳米级片状晶体,使得材料表面呈现微纳米分级结构,具有一定的粗糙度。进一步在材料表面修饰聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层,降低材料的表面能,从而制得高通量环境友好型多功能材料PDMS@ZIF-7/Cu3(PO4)2铜网。PDMS@ZIF-7/Cu3(PO4)2铜网具有超疏水-超亲油性,对水的接触角高达155°,且制备工艺简单,合成原料不含对环境有害物质,不会造成二次污染。通过SEM、XRD、FT-IR、XPS以及AFM等表征方法和手段,对材料的形貌、晶型、官能团结构元素组成以及粗糙度进行了表征。所制备的材料对油水混合物有极好的选择性分离性能和循环使用能力,分离效率可达99%以上,对油类的渗透通量最高可达10200 L·m-2·h-1。同时,PDMS@ZIF-7/Cu3(PO4)2铜网拥有优异的乳液处理能力、极好的物理稳定性和化学耐久性以及自清洁能力,可应对多种极端情况,在油水分离和含油废水净化等领域具有广阔的应用前景。
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