静电纺丝制备超疏水纤维膜及其在油水分离中的应用

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因工业事故、石油运输等造成的石油污染以及餐饮、纺织等行业含油废水的排放,对人类和海洋水生物都造成了灾难性的损害,因此从含油废水中分离油相是一个重要研究方向。但是传统的油水分离方法过程复杂、成本较高且分离效率低、易造成二次污染,所以迫切需要开发一种环保、性价比高、能大规模生产的技术来减小石油污染对环境造成的损害。利用静电纺丝法制备的纤维膜具有高的渗透性和分离效率,而且此法过程简单,成本较低,所以静电纺丝法制备的超浸润分离膜在油水分离领域引起了更多的关注。同时提高超浸润分离材料的稳定性和循环使用性也是目前科学界研究的重点。本论文主要包括以下方面的工作:(1)以疏水性高分子聚苯乙烯(PS)为基材,直接通过电纺法将PS纤维沉积在不锈钢网上制备了超疏水PS纤维膜。对三种不同种类不互溶油水混合物进行分离,结果显示分离效率均高于98%,最大的流通量为618±5 L m-22 h-1。对影响分离效率和油流通量的因素(不锈钢网目数、纤维沉积时间)进行探究,结果表明随着不锈钢网目数和纤维沉积时间的增加,油流通量逐渐减小。而分离效率受其影响不大。对PS纤维膜的pH稳定性和循环使用性进行研究,结果表明超疏水PS纤维膜具有很好的pH稳定性,但由于其易被含有卤代烃、芳香烃等的油相溶解,而不能循环使用。(2)为了制备能够在含有卤代烃、芳香烃等的油相中稳定存在的纤维膜,尝试以醋酸纤维素为基材,首先研究了纺丝过程中影响醋酸纤维形貌和直径的几个因素,确定最佳的纺丝溶液浓度为12wt%-14 wt%,纺丝电压为12-14 kV,且当采用V丙酮/N,N二甲基乙酰胺(DMAC)=3:2为溶剂,推进速率在0.5-0.8 mm/min,接收距离为20 cm时得到的纤维形貌最好。在最佳纺丝条件下采用不同的硅烷偶联剂(全氟辛基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷)对醋酸纤维素进行改性。通过对氟硅烷改性后纤维形貌、XPS、EDX表征充分表明氟硅烷成功粘附在醋酸纤维表面。作为对比,同时采用不同硅烷对滤纸表面进行疏水改性,发现改性后的醋酸纤维膜和滤纸表面疏水性随着硅烷偶联剂碳链长度的增加而增加。采用不同硅烷偶联剂改性后的醋酸纤维膜的对不同种类不互溶油水混合物(环己烷、溴苯、石油醚)进行分离,结果显示对于直链修饰的烷烃,碳链越长,分离效率越高。而油的种类对分离效率影响不明显。同时改性后醋酸纤维膜的吸附量是硅烷改性滤纸吸附量的10倍。以氟硅烷改性的醋酸纤维膜为例,对改性后纤维膜pH稳定性、耐磨性、循环使用性进行探究,结果表明,硅烷改性后的醋酸纤维膜不仅具有良好的pH稳定性且摩擦500次后,表面的接触角同样可以达到141.8±0.5°;同时油水分离循环使用十次后,分离效率依然可以保持在98%。醋酸纤维素具有生物降解性、环保性,因此硅烷修饰的醋酸纤维素具有广泛的应用前景。
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