超疏水材料在油水分離領域應用研究現(xiàn)狀及存在的問題

張雪梅，高曉明，牛風興，楊曉霞

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超疏水材料在油水分離領域應用研究現(xiàn)狀及存在的問題

張雪梅，高曉明，牛風興，楊曉霞

（延安大學 陜西省化學反應工程重點實驗室，陜西 延安 716000）

近年來海洋原油污染問題引起嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，迫切需要一種高效、低廉、環(huán)境友好的方法來進行油水分離。超疏水超親油材料由于其獨特的界面性質，可進行高效的油水分離。本文從二維超疏水材料和三維超疏水材料入手，分別介紹了國內外超疏水材料用于油水分離領域發(fā)展現(xiàn)狀，提出超疏水材料用于工業(yè)生產(chǎn)存在的問題。

油水分離；超疏水；超親油

近年來，關于工業(yè)含油廢水亂排和海運石油泄漏事件的不斷增多，海洋油污染已經(jīng)充分引起了人們的重視。傳統(tǒng)的油污廢水處理技術（如就地焚燒、離心式分離、吸附劑分離等）存在操作步驟復雜、分離效率低、成本較高、產(chǎn)生二次污染等缺點，在實際的操作實施的過程中有一定的局限性，不能大規(guī)模用于海洋油污的治理[1-3]。因此，研究發(fā)展成本低、分離效率高、制備方法簡單的新型油水分離材料得到了研究者的廣泛關注。由于特殊浸潤材料飛速發(fā)展，為油水分離領域提供了新的方法和技術[4]。特殊浸潤材料利用油和水的特殊浸潤性來選擇性地分離油水混合物。特殊浸潤材料主要包括：超疏水/超親油材料，超疏油/超親水材料，智能材料。其中由于超疏水材料能用于大規(guī)模海洋石油泄漏的處理，因此被廣泛的研究。超疏水材料即水滴與固體之間的接觸角大于 150°，而滾動角小于 10°。超疏水表面的構造一般需要具備粗糙度和低表面能物質兩個因素[5,6]，而這樣的表面一般是親油的，因此超疏水材料被認為是一種能用于油水分離材料的基材。

1 二維多孔油水分離材料

2004 年 Jiang[7]等通過噴涂法將混合溶液噴涂在多孔的不銹鋼金屬網(wǎng)上，通過干燥處理使金屬網(wǎng)具有超疏水-超親油的特性，通過電鏡觀察，在不銹鋼金屬網(wǎng)表面形成了粗糙的微納米結構，應用于油水混合物的分離達到了優(yōu)異的效果。

Cheng[8]等采用化學刻蝕與分子自組裝修飾法在不銹鋼銅網(wǎng)上構筑微納米銅顆粒，并將低表面能物質修飾在其表面，通過接觸角測量，水接觸角高達 164.3°

李紅強[9]課題組制備了一種成本低、無污染、無氟、效率高的構造基于織物的超疏水表面材料。該方法采用價格便宜的正硅酸乙酯（TEOS）和含端羥基的聚二甲基硅氧烷（PDMS）為原料，以揮發(fā)性的鹽酸為催化劑，通過氣-液溶膠凝膠法直接在織物上構造出PDMS/二氧化硅（SiO2）有機無機超疏水表面，整個反應過程僅需60 min。超疏水織物在水、各種有機溶劑、強酸、強堿、沸水和冰水中長時間浸泡后仍能保持優(yōu)良的疏水性能。該織物即使經(jīng)過超聲18 h洗滌96個循環(huán)或磨損600個循環(huán)接觸角仍大于150°。

Zhang[10]等將織物浸泡在聚四氟蠟和氟化石墨混合分散液中，并加熱固化，開發(fā)出了一高效、種簡單制備超疏水材料（如圖1所示）。該超疏水材料接觸角為157.7°，該材料具有自修復功能，經(jīng)人為機械破壞后仍具有良好的超疏水性能。

圖1 穩(wěn)定超疏水多級孔聚合物的一鍋法無模板制備

ACS News Service Weekly PressPac報道德國Jürgen Rühe嘗試了一種新的方式構建材料—仿蛇蛻皮疏水表面（如圖2所示）。這種材料由三層材料組成，第一層是超疏水PFA材料（poly-1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl acrylate），中間層是水性PVP材料，底層又是超疏水PFA材料。在最上層的是“草”一樣的納米草層，中間層為水溶性聚合物層，底層為超疏水硅“納米草”層。“納米草”是由伸直了的微小針狀突起組成。研究人員將劃傷后的涂層材料浸泡在水中，水滲入傷口，被中間的水溶性聚合物所吸收，之后頂層的涂層像“蛇蛻”一樣被剝離，露出底層疏水層。

圖2 仿蛇蛻皮超疏水表面

2 三維多孔油水分離材料

三維網(wǎng)絡結構超疏水材料由于其發(fā)達的孔隙和大的比表面積，為分離后的油相提供了巨大的存儲的空間，且該材料經(jīng)過機械擠壓即可達到將吸附的油相快捷分離目，便于其循環(huán)利用。該超疏水材料三維骨架主要包括：聚氨酯海綿、石墨烯氣凝膠、纖維素海綿等[11-13]。

Dickerson[14]等以聚氨酯海綿為三維骨架，用十八烷基三氯硅烷對其表面進行改性，經(jīng)測試水滴的接觸角達到 151°。在經(jīng)過 1 000 次的循環(huán)周期后吸收容量仍然保持率大于 90%。

Zhang[15]等采用一種簡單的方法制備三維超疏水海綿，先用硫脲還原氧化石墨烯(GO)得到巰基化石墨烯(GSH)，GSH是疏水的，接觸角可達到128度，然后分散于乙醇中，將海綿浸泡其中干燥后，制備出超疏水海綿，通過浸泡的次數(shù)來控制固載量，固載量為7.5wt% 時接觸角達到160.5度，這是由于海綿本身構成了一定粗糙度，吸附疏水的GSH后，在骨架上進一步形成尺寸較小的粗糙度。通過吸油實驗，發(fā)現(xiàn)可以快速地吸收各種有機溶劑和油，同時質量達到自身重量30~90倍不等，吸收原油時也能達到47倍，經(jīng)過10次循環(huán)后，吸收量基本不變化，其制備方簡單、成本較低的特點，使其具有極大的實際應用前景。

李健[16]課題組報道了一種超疏水凹凸棒(含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物)負載的聚氨酯海綿油水分離吸附材料（如圖3所示）。該超疏水凹凸棒負載的海綿材料直接用惡劣環(huán)境下的油水分離。更重要的是，利用該超疏水凹凸棒負載的聚氨酯海綿材料成功地實現(xiàn)了常見水包油乳液的高效分離。這種具有較好的化學穩(wěn)定性和高效(大于99%)的油水分離吸附材料將在實際污水處理中有廣泛的應用前景。

圖3 超疏水凹凸棒負載的海綿材料用于多種油水混合物分離實驗結果

3 存在的問題

將超疏水表面構造在網(wǎng)狀或多孔性物質上，可以實現(xiàn)油水分離，這在控制或減輕由石油頻繁泄露所引起的海洋污染方面展現(xiàn)出巨大的應用潛力，十分有助于保護海洋環(huán)境和推動海洋產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。然而，目前超疏水材料在制備的工藝和過程中還存在以下問題：（1）大部分超疏水材料為了提高其超疏水性能，對其表面采用含氟類化學物質進行低表面能修飾，大大提高了其成本；（2）很多超疏水材料制備步驟復雜，制備條件苛刻，制備周期長；（3）超疏水材料表面收到外界的機械摩擦，其超疏水性能易遭到破壞。以上這些問題制約了超疏水材料在油水分離領域的實際應用，因此價格低廉的原料，簡單的制備過程，表面強的機械穩(wěn)定性將是未來制備超疏水表面的研究熱點

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Research Status and Existing Problems of Super Hydrophobic Materials Used in Oil and Water Separation

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(Shaanxi Key Laboratory of Chemical Reaction Engineering,Yan’an University, Shaanxi Yan’an 716000, China)

Marine oil pollution problems caused serious environmental pollution and ecological destruction in recent years. So it is urgent to develop a efficient, cheap and environmentally friendly approach to separate oil and water. Because the super hydrophobic materials have unique interfacial properties, they can be used to separate oil and water efficiently. In this paper, application of super hydrophobic materials in oil-water separation field at home and abroad was introduced from the aspects of two-dimensional super hydrophobic materials and three-dimensional super hydrophobic materials, and the existing problems in application of the super hydrophobic materials in industrial production were put forward.

oil-water separation；super hydrophobic；super-lipophilic

2017-10-23

張雪梅（1987-），女，講師，碩士，陜西省延安市人，2011年畢業(yè)于蘭州理工大學，研究方向：工業(yè)催化，功能材料。

延安大學校級項目資助（項目號YDK2015-68）；陜西省教育廳重點實驗室項目資助（項目號17JS141）。

TQ 028.8

A

1004-0935（2017）12-1240-03