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东华大学丁彬教授研究团队在纳米纤维油/水乳液分离材料研究方面取得新进展
2018-01-11 来源:中国流变网    点击次数:35次    

  人类社会发展离不开石油资源,然而在工业生产和日常生活过程中,油类化工物质的泄露和含油污水的大量排放易导致严重的水体污染,破坏水体生态平衡甚至威胁人类健康。如何快速实现油/水混合物的高效分离已经成为全球社会关注的热点问题。传统的重力分离和吸附等方法可以在一定程度上去除水体中不稳定的游离态油滴和浮油,但难以有效去除稳定的乳化态油滴。化学絮凝、高压电破乳等方法虽然可以实现破乳作用,但仍存在二次污染和能耗高等问题,难以大规模应用于含油污水处理领域。

  近年来,膜分离技术因具有操作简单、能耗低、分离效率高且无二次污染等优点,在含油废水处理领域表现出巨大的应用前景。然而,现有分离膜材料多采用亲油性的聚合物经相分离方法制备得到,膜材料孔隙率较低,且表面抗油粘附性能差,在分离油/水乳液过程中极易被油滴污染,导致分离通量急剧降低,极大的限制了其应用性能。因此,如何进一步提升材料的分离通量和抗污染性能仍是目前油/水分离膜材料研究的重要课题。

  针对这一问题,东华大学丁彬教授带领的研究团队致力于将静电纺纳米纤维材料应用于油/水分离领域。他们利用纳米纤维膜孔隙率高,连通性好且易于功能化的优点,通过协同调控纳米纤维材料孔道结构与表面润湿性,成功制备出一系列具有高分离通量和高分离效率的油/水分离材料(ACS Nano 2015, 9, 3791,J. Mater. Chem. A 2017, 5, 497)。近期,材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》在线刊登了他们的最新研究成果(Biomimetic and Superwettable Nanofibrous Skins for Highly Efficient Separation of Oil-in-Water Emulsions),该论文的第一作者是东华大学的博士生葛建龙,通讯作者是丁彬教授。

  在此项研究中,课题组研究人员在他们的前期研究基础上,将静电纺丝技术与静电喷雾技术相结合,以改性聚丙烯腈作为本体材料,通过精细调控电纺过程参数,首次在常规静电纺纤维膜表面构建了具有仿荷叶表面微/纳结构的超润湿性纳米纤维皮层。他们进一步研究了膜材料表面物理结构、聚合物本体润湿性对膜材料水下疏油性能的影响规律,结果证实所得膜材料在水下对油滴表现出Cassie态润湿效应:高亲水性的聚合物本体、高孔隙率的皮层和多级粗糙结构在膜表面形成稳定的水化层,有效减少了油滴与膜本体的接触面积;通过协同优化分离膜皮层微/纳多级结构与聚合物本体亲水性,所得复合膜材料具有优异的超亲水和水下超疏油性能(水下油接触角可达162°,滚动角< 3°)。

图1 ,(a-d)仿荷叶表面微/纳结构纳米纤维皮层构筑及表征,(e,f)超亲水/水下超疏油性能展示,(g)复合膜拉伸力学性能及实物展示

图2,(a-c) 膜材料表面水下疏油润湿性规律研究, (d)水下超疏油机理示意图

  此外,不同于传统相分离膜材料致密的皮层结构,他们所制备的纳米纤维分离膜材料具有超薄、亚微米孔径皮层和高孔隙率特性,可在高效拦截乳化油滴的同时保持良好的水透过性。因而,该膜材料对高度乳化的水包油型乳液表现出优异的分离性能,其在极低的驱动压力下(乳液本身重力作用 ~1kPa)即可实现对油/水乳液的快速高效分离(分离通量可达到5152L m-2 h-1,分离效率为 99.93%),在降低能耗油/水分离应用方面展现出巨大的优势。与此同时,凭借其优异的防油抗污染性能,该分离膜材料在长周期分离过程中表现出良好的稳定性,有望应用于大规模含油废水净化领域。

图3,(a)分离膜对无表面活性剂油/水乳液的重力驱动分离性能,(b)不同驱动压力下膜对含表面活性剂乳液的分离性能,(c)分离前后乳液的光学显微镜图片,(d)油/水乳液分离过程示意图

图4,(a)实验采用的油水分离装置,(b)含表面活性剂的乳液自重分离和压力驱动分离性能,(c)与现有油/水分离膜性能对比,(d)循环分离性能展示

  总之,丁彬教授研究团队采用了一种有效易行的方法制备出具有优异油/水乳液分离性能的新型纳米纤维分离膜材料,且该材料具有一定的规模化制备潜力。该项研究可为高效低能耗油/水乳液分离膜材料的设计制备提供指导和借鉴。

  该研究工作得到了国家自然科学基金,上海市科委基础研究重点项目的支持。

  原文链接:

  http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nn506633b

  http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ta/c6ta07652a

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201705051/epdf

  下载:Biomimetic and Superwettable Nanofibrous Skins for Highly Efficient Separation of Oil-in-Water Emulsions

 
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