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可循环使用的超疏水超亲油PC/cMWCNTs多孔整体材料

2019-06-10 09:55
纳米防水
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在过去的几十年里,由于频繁的油污,工业化学品泄漏和排出含油污水,石油污染对水环境和生态学造成灾难性后果。因此,有效的油/水分离过程是对含油废水纯化具有重要意义。通常,油污染物在水中是不溶性烃或脂肪甘油酯,相关的油包水混合物主要有三种类型,自由浮油,不稳定的自由油滴和稳定的乳液(油滴直径<20μm)。常规的油/水分离技术,如吸附、气浮、离心和化学凝固。分离效率低,能源成本高,运作过程复杂、二次污染等缺点,以至于很少能分开高度化的含油废水。新开发的膜基于微滤(MF)、超滤(UF)和纳米过滤(NF)的分离技术已被研究用于含油污水的分离,由于其优点,如高分离效率,相对较低的成本和操作简单。然而,仍存在严重的局限性,包括低渗透通量和高驱动压力几个条形,导致防污性能差。

近期,美国田纳西大学联合山东理工大学、河南郑州大学等国内四所大学研发了一种可以从水中吸收特定油的多孔整体材料(超疏水/超亲油的聚碳酸酯/碳纳米管多孔材料)。该整体材料孔隙率高达90.1%,水接触角159°,油接触角为0°,可以用于从油/水混合物中吸附各种类型的油/有机溶剂,而且吸附速度快、饱和度高、循环能力强。

亮点

该多孔整体材料采用羧基化的多层碳纳米管,基于该纳米管在有机溶剂中很好的分散性及其与PC牢固的作用力;

采用热影响非溶剂诱导相分离法(TINIPS)制备新型多层微-纳米结构的单位多孔PC/cMWCNTs整体材料。

可循环使用的超疏水超亲油PC/cMWCNTs多孔整体材料

图1 多孔PC/cMWCNTs 整体材料的制备过程

可循环使用的超疏水超亲油PC/cMWCNTs多孔整体材料

图2 (a)在整体材料截面上水滴(高锰酸钾染色)的数码照片;(b)水接触角;(c)大豆油对多孔整体材料的润湿性;(d)油的接触角;(e)水滴在整体材料侧面滚落的数码照片;(f-g)多孔整体材料部分或全部浸入水中的数码照片。

润湿性是油水分离吸附材料的一项关键特性。多孔材料的水、油接触角是用来衡量其亲水、亲油性能的指标。截面对水的接触角为159°、对油的接触角为0°,此外,水滴快速从材料侧面滚落,均表明该整体材料表现出优异的疏水和亲油特性。

可循环使用的超疏水超亲油PC/cMWCNTs多孔整体材料

图3在水表面的大豆油(a1-a3)、在水底部的四氯化碳(b1-b3)被选择性分离过程(大豆油和四氯化碳均用苏丹红3号染色)

可循环使用的超疏水超亲油PC/cMWCNTs多孔整体材料

图4 随着对大豆油吸附时间和吸附动力模型(插入图)变化而变化的吸附容量

可循环使用的超疏水超亲油PC/cMWCNTs多孔整体材料

图5 PC/cMWCNTs整体材料对各种有机溶剂和油的饱和吸附容量

可循环使用的超疏水超亲油PC/cMWCNTs多孔整体材料

图6 多孔PC/cMWCNTs整体材料对通过离心后的各种油(a)和蒸发后的有机溶剂(b)的再循环能力

多孔PC/cMWCNTs整体材料可以承受起相当于其自身重量400倍的重量而不发生任何变形。其经过10次循环后饱和吸附容量没有明显改变,多孔PC/cMWCNTs整体材料有很好的再循环能力。

研究小结:

有分层微-纳米结构的多孔PC/cMWCNTs整体材料可以很容易的通过TINIPS方法得到,无需模板和复杂的设备。由于独特的多孔结构,整体材料表现出优异的超疏水和超亲油特性以便能够从水中吸附油和有机溶剂,另外多孔整体材料表现出较快的吸附速率、高的饱和吸附容量以及优秀的再循环利用能力。该整体材料将在油污染水处理中起到极其重要的作用。

参考文献信息:

Zhenzhen Li, Bo Wang, Xiuming Qin, Yingke Wang, Chuntai Liu, QianShao, Ning Wang, Jiaoxia Zhang, Changyu Shen, and Zhanhu Guo.Superhydrophobic/Superoleophilic Polycarbonate/Carbon
Nanotubes Porous Monolith for Selective Oil Adsorption from Water,ACS Sustainable Chemistry & Engineering.2018.

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