超疏水材料在油水分離中的研究進展

葛崇志（安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南232000）

0 引言

石油作為當前主要的能源，在人類的生產和生活中有著重要的地位。在石油的開采和運輸的過程中頻繁發生事故，造成大量的水體污染從而引發了一系列的生態危機，如何高效地將油類污染物與水體進行分離已經成為世界級的挑戰。研究人員從自然界某些植物表面的特殊浸潤現象中得到啟發，如荷葉表面的超疏水性，并嘗試利用仿生超疏水分離材料進行油水分離，江雷課題組[1]首先進行了超疏水不銹鋼材料網膜應用于油水分離的的研究。在目前的實際應用中有二維、三維兩種類型的超疏水分離材料，本論文該角度出發對油水分離材料進行概述，首先對油水分離理論基礎進行了闡述，其次概括了相應的代表性研究工作，最后總結了該領域存在的挑戰并對其發展進行展望。

1 浸潤理論基礎

超疏水材料呈水疏油性質，因而油可以自由通過疏水/親油膜，水則被阻擋在膜外，達到移除油的目的。CA(浸潤角)是表征材料浸潤性的重要手段，在光滑的固體表面可以通過楊氏方程來闡釋固體、液體表面能與浸潤角CA之間的關系：

式中:σLA為氣-液間的界面張力；σSA為氣-固間的界面張力；σSL為液-固間的界面張力,可知，當材料的表面能介于水和油的表面能之間時，可以同時具備疏水和親油性。對于粗糙表面，經Wenzel，Cassie等人進一步修正后，分別得到Wenzel模型Cassie 模型，Wenzel 模型認為若表觀接觸角θR<90°,則θR隨著表面粗糙度R增加而減?。蝗衾硐虢佑|角θCA>90°,則θR隨R的增大而增大，所以可以通過提高表面粗糙度得到超疏水分離材料。在Cassie 模型中：粗糙固體表面存在著溝壑，研究表明液滴并不能完全充斥溝壑，其中被空氣所填充，此時固體表面表觀接觸角值的大小與材料表面的粗糙程度有關聯。因此可以通過在具有低表面能物質的材料表面構造微納米結構以制備超疏水分離材料。下文將從維數角度對超疏水油水分離材料進行概述。

2 二維網膜超疏水材料

金屬網由于具有優良的機械性能而備受研究者的喜愛，一般地通過涂層在金屬網表面構筑微納米結構賦予其超疏水的特性用于油水分離，其重復使用率遠高于相同功能的其他材料。Cai等[5]通過原位結晶法在原始不銹鋼網上涂上沸石涂層，然后使用環保的十六烷基三甲氧基硅烷化合物（HDTMS）對其進行了改性。制備的涂層具有良好的自清潔、防污和防腐性能。此外，涂層的網膜能夠在重力驅動下連續有效地分離不同類型的油水混合物，分離效率高達99.0%以上。

相對于金屬網膜紡織材料更易于大規模的生產，并且也擁有著良好的機械性能，Fang 等[6]采用三乙氧基硅烷（MPTES）表面改性的方法制備了超疏水織物，首先用MPTES對織物進行改性，然后在波長為365nm的紫外光照射下，利用硫醇-烯之間的反應將烯封甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）修飾的SiO2@Fe3O4納米粒子（MPS-SiO2@Fe3O4）固定在織物表面，結合原始織物固有的微纖維結構，在織物表面構建了層次化的微/納米結構。最終，這種層次結構與疏水硅骨架和烷基固有的低表面能的結合賦予了織物優異的超疏水性（WCA=156°）。該織物具有超疏水性和多孔結構，具有較高的吸油量和滲透通量，可用于油水分離。此外，超疏水織物還具有優異的抗剝落、耐磨性和耐化學性，具有穩定的吸油性能和較高的油水分離效率。

3 三維多孔超疏水材料

相對于二維網膜材料，三維多孔材料擁有更高的吸油速率和儲油能力。通過簡單的擠壓即可實現油品的回收利用，其原材料豐富多樣，不乏環保的可降解材料以及植物纖維，在實際應用中顯現更大的優越性。

可生物降解聚乳酸（PLA）是被廣泛認可的環保材料。然而，PLA受到其低疏水性的限制而無法作為油水分離中大規模應用的理想材料。Wang 等[7]開發了一種簡便的水輔助熱沖擊相分離方法，制備了性能優良的無外皮PLA泡沫。在實際應用中，水滴與泡沫表面接觸時會迅速滾落，滾落角小于5°。，最大飽和吸附容量為31.5 g/g，泡沫可以吸收油的重量約為其自身重量的12-31倍，吸油后可通過離心回收被PLA泡沫吸附的不揮發油，通過這種方法除去吸附的油；對于揮發性有機溶劑，在吸附過程之后，可以通過加熱泡沫使其蒸發以實現循環吸油。此外，它在連續的油水分離測試中顯示出較高的采油效率（>98%）。聚合物乳化模板是一種有前景的制造多孔材料的技術，因為通過這種方式制備的材料具有靈活可控的性形狀和厚度。Zhang 等[8]提出了一條利用石蠟油基乳液技術大規模合成多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）海綿的簡便路線。用石蠟油將水乳化在PDMS 溶液中，可以形成穩定的乳液。所制備的PDMS海綿骨架仍完好無損，這種方法成本低、速度快、易于推廣。所得PDMS 海綿的水接觸角為141.9±1°，對各種有機溶劑的吸附容量為13.5～33.3g。此外，多孔PDMS 海綿具有良好的吸油性和可重復使用性，在水凈化方面具有很大的應用價值。

4 結語

目前，超疏水油水分離材料的研究取得了一系列進展，但仍舊存在一些問題：①目前的分離材料應用的場景一般為不互溶油水，而關于分離乳化型油水混合物的研究鮮有報道。所以乳化型油水混合物中油水的分離也是未來研究應該關注的課題。②如技術復雜、生產成本過高等困難致使研究中表現出較好分離性能的材料被不容易規模化生產，很難用于解決實際問題，因此探索低成本、環境適應能力強的材料也就具有十分重要的現實意義。