超疏水微纳阶层复合材料的构筑及其油水分离性能研究
海洋与河流中的油水混合物污染已对生态环境产生极大危害，发展油水分离技术十分必要。超润湿材料因为其对水或油具有极端的润湿性，而在油水分离领域具有极大的应用潜力。在超疏水材料制备过程中，石墨烯材料凭借其低密度和高比表面积等性能而获得广泛关注。本研究从构筑具有微纳阶层结构的三维石墨烯基超润湿复合材料出发，通过浸渍、真空辅助、超声雾化喷涂等方法，发展了一系列高油水分离效率复合材料，系统地研究了表面结构与油水分离性能之间的构效关系。进一步研究了制备的复合材料对极稳定油水乳液体系的分离性能，探索了微纳阶层结构对稳定油水乳液体系的分离破乳机制。 首先，在氧化石墨烯（GO）纳米片上原位生长ZIF-8纳米晶体，减少GO纳米片的团聚，进而将ZIF-8@GO分散液通过喷涂辅助高温还原自组装过程，制备三维褶皱ZIF-8@还原氧化石墨烯（rGO）微球。研究表明，ZIF-8纳米晶体在GO纳米片上稳定存在并均匀分散，利于微球表面微纳阶层结构的形成。优选制备条件下，ZIF-8@rGO微球（ZGS）水接触角为158°，并在0.15s内快速吸附油相，对有机溶剂的吸附量为260wt.%，具有良好的循环稳定性及热稳定性。采用混合法分别制备具有微纳阶层结构的ZIF-7@rGO、ZIF-11@rGO和ZIF-67@rGO微球，研究了喷涂辅助高温还原自组装法对不同粒径纳米晶体负载微球制备的普适性。 其次，将ZGS掺杂聚二甲基硅氧烷（PDMS）通过浸渍法制备超疏水超亲油ZGS海绵复合材料（ZIF-8@rGO@Sponge）。结果表明，ZGS在商业聚氨酯海绵骨架上均匀分散，其表面微纳阶层结构使海绵原有的超亲油超亲水特性转为超亲油超疏水。优选制备条件下（ZGS负载量0.04g·cm-3，PDMS浸渍2层），海绵复合材料水接触角达171°，并在水下展现出类似银镜现象，对有机溶剂的吸附量达2400wt.%，对油水混合液具有超高的分离效率（98%以上），同时具有优异的循环运行稳定性。 再次，将ZGS通过真空辅助浸渍法负载于聚四氟乙烯（PTFE）基底上，研究超疏水ZIF-8@rGO@PDMS/PTFE（ZGPP）膜对表面活性剂稳定油包水乳液（SSEs）的破乳分离性能及其接触破乳机制。分析表明ZGS微球在膜表面均匀分散，随着ZGS微球负载量的增加，在微球表面微纳阶层结构与低表面能PDMS的协同作用下，ZGPP膜表面疏水性及亲油性均增强，水接触角为155°。当微球负载量为2mg·cm-2，PDMS浸渍层数为2层时，ZGPP膜分离SSEs的通量达2254L·m-2h-1（0.15bar，室温），分离效率达99.6%，透过液水含量低于0.01wt.%。此外，ZGPP膜可在70~200分钟内实现对不同粒径SSEs完全破乳，甚至对粒径小于100nm的纳米乳液也可在一定程度上实现破乳。通过紫外-可见光光谱、光学显微镜对破乳过程进行了观察分析。通过分子动力学模拟对膜表面接触破乳过程进行研究，确定ZGS表面微纳阶层结构的构建增强了膜对油水乳液中油相和表面活性剂的吸引力，使乳液中油水两相界面失衡，乳化水滴在材料表面运动聚并，最终实现破乳。 最后，发展超声雾化喷涂技术制备油水分离膜，将ZGS微球掺杂到低粘度PDMS中，通过喷涂辅助层层组装法，制备超疏水S-ZGPP油水分离膜，实现微球的均匀分散，并提高膜通量。通过超声喷涂在膜表面形成稳定超疏水微纳阶层结构，水接触角为152°。优选膜制备条件下，膜对SSEs的分离效率达99.6%，通量为4478L·m-2·h-1（1bar，室温）。
微纳阶层结构;石墨烯;接触破乳;超声雾化喷涂;油水分离
北京化工大学
博士
化学工程与技术
孟洪
2022
中文
TB332
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）