基于植物多酚改性的超润湿棉布的制备及其在油水分离方面的应用

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含油废水是环境中存在的最持久的污染源之一,从含油废水中分离油对回收淡水资源和石油资源、保护海洋具有重要意义。超润湿材料由于其能够高效低能耗分离油水的优点而被认为是处理含油废水的良好选择,然而设计绿色简便的制备方法仍是具有挑战性的任务。植物多酚在自然界含量丰富,廉价易得,能够通过简单的常温制备过程与端氨基类物质形成类似贻贝黏附的涂层。因此本论文以其为基础原料,通过简单的共沉积和络合的方法制备了一种超亲水/水下超疏油棉布,进一步通过简单固化反应得到了超疏水棉布,并将它们应用于不同场合的分层油水混合物的高效分离。而后,将这两种二维超润湿棉布填充成三维床层,高效分离了各种乳化油水。本论文研究内容如下:首先,通过亲水性极强的没食子酸(GA)和聚乙烯亚胺(PEI)的迈克尔加成/席夫碱反应沉积大量粒子于棉布表面,赋予棉布更高的表面能和粗糙度,而后通过铜离子的络合反应来提升GA/PEI网络的稳定性,从而得到耐久的超亲水/水下超疏油棉布。该棉布在空气中水接触角为0°,对于不同种类的油的水下接触角均高于160°,表现优异的水下超疏油性。在经过极端化学腐蚀和物理磨损后,润湿性能保持稳定,表示出优越化学稳定性和机械稳定性。用该棉布分离不同轻油/水混合物,分离效率均达99.5%以上,在循环分离20次后仍能保持极高分离效率,表现良好的可重复利用性。将先前制备的超亲水/水下超疏油棉布通过浸泡聚二甲基硅氧烷(PDMS)后固化处理,在保留粗糙结构的同时大幅降低棉布的表面能,从而得到超疏水棉布,棉布在空气中水接触角可达152°以上。由于PDMS优异的粘合力和溶剂惰性,该棉布在经过极端化学腐蚀和物理磨损后,润湿性能保持稳定,展现出色化学稳定性和机械稳定性。用该棉布分离不同重油/水混合物,分离效率均达99.6%以上,在循环分离20次后仍能保持99.3%以上的分离效率,表现良好的循环分离能力。将20片所制得的超润湿棉填充成三维超润湿床层。这种床层结构具有较长的液体渗透通道,进行乳液分离时,延长了乳液滴的停留时间,增强了破乳分离能力。其中超亲水/水下超疏油床层可成功实现多种水包油乳液的破乳和分离,分离效率均高于99.1%,通量最高可达1451 L·m-2·h-1,循环分离20次后仍能保持极高的乳液分离效率,表现出优秀的可重复利用性。而超疏水棉布床层成功实现了多种油包水乳液的破乳和分离,分离效率均达99.5%以上,分离通量最高可达2645 L·m-2·h-1,重复分离20次后仍能保持极高的分离效率,表现出优异的循环分离能力。
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