双侧非对称选择超润湿性网膜的制备及油水分离应用研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiexieni777
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高效经济的油水分离技术在原油开采、污水处理等领域具有重要应用价值,是重要的前沿科学研究之一。选择超润湿性网膜是一种广泛应用于油水分离的网膜,这一类网膜具有对油和水截然不同的润湿性,可以实现液体的选择性透过。然而,选择超润湿性膜本身具有一些缺陷,例如缺乏一种广泛适用的构造机理作为理论指导,制备较为困难;工作时能量消耗较大;油水分离速度和分离率很难兼顾,在分离率接近99%的情况下,大部分网膜的分离速度在100-35000L m-2 h-1之间。近年来,双侧非对称(Janus)网状结构得到了广泛关注,这种网状结构的两侧面具有对同一种液体不同的润湿性,依靠两侧润湿性差异的协同作用,可以实现液体的单向驱动和阻滞,并且能耗小,能源效率高,液体运输速度可以达到45000L m-2 h-1。Janus网状结构的液体驱动特性为高效、低能耗油水分离网膜的设计提供了全新的思路,然而,当前Janus网膜主要应用于液体的定向传输,鲜有关于应用于油水分离的Janus网状结构的相关研究。由现在的研究可以预测,将Janus网膜两侧面做成不同的选择超润湿性表面,可以融合选择超润湿性网膜的油水区分特性和Janus网膜的液体自驱动特性,具有重要研究意义。本文主要研究了Janus选择超润湿性网膜的工作机理,制备过程和应用。着眼于选择润湿性网膜构造理论,对表面能极性/色散分量构造机理进行了总结和补充,构建了表面在空气中和液下的接触角模型。研究表面能极性/色散分量与表面润湿性的关系,建立了表面润湿性坐标图。从定性和定量两种角度,进行实验验证了润湿性坐标图的适用性。设计出了两种Janus选择超润湿性网膜模型,在此基础上分析模型的承压能力。根据模型正反两方向上的承压能力的不同,解释了突变型Janus网膜单向驱动液体的工作原理。深入探讨了疏液层厚度对模型承压能力的影响,对网膜在输液速度上的优势进行了理论解释。分析液体在网膜各个位置的受力方向,做出了液体透过网膜的流程图。在理论模型的基础上,利用静电纺丝的方法构建出了通水阻油型和通油阻水型Janus选择超润湿性网膜。对两种网膜的表面微观形貌、管能组成、液滴接触角和单向输液性进行表征,确定了网膜的基本属性。通过改变纺丝时间,研究疏液层厚度对网膜承压能力的影响,进而验证了理论模型。利用两种Janus网膜进行油水分离实验,计算油水分离效率,检验了网膜应用在油水分离方向上的可行性,验证了网膜在分离速度上的优势;进行了集液实验,验证了网膜在液下的单向运输能力。本文针对选择超润湿性网膜在油水分离应用时遇到的问题,提出了Janus选择超润湿性网膜模型,完善了选择超润湿性网膜的构造机理,进行了Janus网状结构的制备和表征,探究了结构改变对网膜性能的影响,用网膜完成了油水分离和集液两种应用实验。本研究为Janus选择超润湿性网膜的制备提供了理论模型和制备方法,同时为提高选择超润湿性织物的分离速度提供了思路,具有理论及应用价值。
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