三聚氰胺海绵的超疏水表面构建及其乳液分离性能研究

作     者：刘帅卓 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张骞

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：三聚氰胺海绵 表面改性 超疏水 油水分离 乳液分离 

摘      要：含油废水污染是一个全球所面临的严峻环境污染挑战。设计高效油水分离材料,用于分离包括乳状油水混合物和层状油水混合物在内的含油废水,已受到了广泛地关注。基于三聚氰胺海绵(MS)的表面超疏水改性,而设计得到的整体式油水分离材料,已经成为了应用于含油废水处理的极具潜力的新型材料。然而,针对于三聚氰胺海绵的表面超疏水改性方法,仍存在着改性过程复杂,改性材料存在毒害,且物理化学性质不稳定等缺陷。且以此制备得到的油水分离材料还存在着难以适用于复杂苛刻环境,难以有效处理乳状油水混合物(乳液)等缺陷。这些都大大地限制了其在实际含油废水处理中的应用。因此,开发一种简单、高效、绿色的改性方法,设计出性能高效、环保无害,且能适用多种应用环境与处理对象的新型油水分离材料,成为了目前的研究关键。本论文立足MS的表面超疏水改性,探索研究了多种改性手段,实现了海绵的表面亲疏水性、粗糙度、化学能以及表面电荷等性质的改变。而以此制备的油水分离材料,可有效地应用于处理层状油水混合物、乳状油水混合物等含油废水类型。主要内容包括以下三个方面:首先,本论文探索研究了基于MS表面原位化学反应的改性方式。研究发现包括过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化氢、硝酸等在内的化学试剂,可在MS表面进行原位化学改性,并实现其表面亲疏水性质的改变。在进一步的研究中,主要探索了表面疏水改性效果更优的硝酸改性MS的机理。同时,研究发现了通过这种基于硝酸的一步式协同超疏水改性方式,制备得到的新型油水分离材料(HMMS)具有超疏水-超亲油性,可有效分离层状油水混合物。此外,研究结果还发现其具有良好的吸附能力,选择性分离能力,循环使用能力,且能适用于复杂苛刻的使用环境中。但是,通过这种改性方式得到的油水分离材料,不能适用于乳状油水混合物的分离。为设计具有乳液分离功能的油水分离材料,进一步研究了基于表面涂层改性的方法,以及其对乳液分离效果的影响。在这项研究中,将带有电荷的氢氧化镁(MH)纳米颗粒,粘附在MS的骨架表面,而后再通过浸涂硬脂酸,以此实现了对MS表面的电荷、粗糙度、化学能、亲疏水性的改变。而以此获得的新型油水分离材料(S-MH/MS),除了能实现层状油水混合物的有效分离,还能针对性地分离含阴离子和阳离子表面活性剂稳定的乳状油水混合物。同时,在含油废水处理的实际应用研究中发现,这种新型整体式油水分离材料机械性能、循环使用性能、连续分离性能等方面的性能亦表现优异。表面涂层改性法通常需使用粘结剂实现改性材料与基底的结合,需分步式步骤实现粗糙度与降低表面能,同时材料难以在复杂苛刻环境中的适用。为解决上述问题,研究设计了一种基于层状双金属氢氧化物(MA-LDH)的一步式原位涂层改性方式,并成功制备了新型油水分离材料(MA-LDH/MS)。同时,研究分析了这种MS与改性涂层MA-LDH的相互作用,及这种协同改性方式对于所得油水分离材料的表面性质与整体性能的影响。研究发现原位生长于MS表面的MA-LDH,无需使用粘结剂即可实现与MS的有效结合,且通过原位生长即可实现MS表面的超疏水改性。同时,这种新型油水分离材料可有效应用于处理层状油水混合物,以及含阳离子表面活性剂稳定的乳状油水混合物,在不同使用环境中具有良好的适用性,具有潜在的应用价值。