泡沫铁的表面修饰及其在油水分离中的应用研究

作     者：张芮 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武元鹏

授予年度：2020年

学科分类：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：泡沫铁 表面修饰 亲油疏水 油水分离 磁性 温敏性 

摘      要：近年来,随着工业社会的进步和发展,人们对化石能源的需求不断增加,石油开采与运输、采矿、纺织等工业生产过程中产生的含油废水也日益增加。目前,分离油水混合物的传统方法主要有重力分离、离心分离、浮选、生物法等技术,但这些分离方法具有效率相对较低、操作成本高并且容易造成二次污染等缺点。因此,进一步制备低成本、环境友好、可循环使用的油水分离材料,以及快速便捷的油水分离方法迫在眉睫。本论文根据固体表面的润湿理论,以泡沫铁为基材,采用了浸渍法和热溶剂法两种方法,制备了三维多孔疏水-亲油材料、超疏水-超亲油性材料以及温敏性多孔材料等油水分离材料,探究了其在油水分离中的性能。主要研究内容如下:(1)通过浸渍法将十二烷基硫醇修饰到泡沫铁表面,制得疏水-超亲油性的泡沫铁材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、红外吸收光谱(FTIR)、接触角测量仪等表征手段对材料进行表征。水滴在材料表面的接触角为145.0°,油滴的接触角为0°。该材料具有优异的油水分离性能,可以分离多种油水混合物,其分离效率最高可以达到99.9%,并且具有良好的循环使用性能,在45次循环使用后,分离效率仍高达98.8%。该材料具有良好的耐磨性能,用砂纸在其表面进行50次磨损后,其表面接触角保持在140.3°以上。且具有优异化学稳定性,能够将油从酸性、碱性和盐溶液与油的混合物中有效分离,分离效率可达99.8%,呈现出优异的耐酸、耐碱、耐盐的性能。还具有磁响应性,能够用于远程控制油水分离混合物。此外,将制备出的材料和循环水泵相结合可以实现连续分离油水混合物。(2)以泡沫铁为基底,通过热溶剂法在其表面修饰聚苯乙烯,制备出超疏水-超亲油性多孔材料。其在空气中水的接触角为153.4°,滚动角约为4.5°,油的接触角为0°。通过SEM、FTIR等技术手段对该材料进行表征。该材料具有良好的循环使用性能,在70次循环后,其油水分离效率仍保持在99.8%以上。此外,该材料具有良好的耐磨稳定性,用砂纸进行50次磨损后,其表面接触角仍然在141.8°之上。同时该材料具有良好的耐候性,在潮湿的空气(湿度为90%)中放置14天后,仍然能保持良好的超疏水性,且能够分离腐蚀性溶液与油的混合物,其分离效率最高可达99.7%。借助循环水泵不仅可以连续分离轻油和水的混合物,还能在外部磁场的帮助下连续分离重油和水的混合物。(3)以泡沫铁为基体,通过热溶剂法将聚N-异丙基丙烯酰胺修饰到泡沫铁上,制备出具有温度响应性的泡沫铁,材料表面的亲水性和疏水性能可以随温度进行调节。当体系温度为10℃时,材料的表面表现超亲水性,其水接触角为0°;在体系温度为35℃时,材料的表面表现出疏水性,其水接触角为135.2°。通过SEM、FTIR等表征手段对该材料进行表征。制备出的样品在温度刺激下可以实现表面润湿性的可逆转换,该材料可以有效进行温敏可控油水分离且无需外力驱动,在体系温度为10℃时,该材料可以先分离水,而在体系温度为35℃时,该材料可以先分离油,从而实现温度控制的智能油水分离。材料可以高效快速的分离多种油水混合物,其对水的通量可达15.5×104L m-2h-1,对油的通量最高可达18.1 ×104 Lm-2h-1,分离效率均高达91.8%以上。通过以上研究发现,以泡沫铁为基体材料制备出的具有特殊润湿性的材料能够高效快速地分离油水混合物,材料具有远程调控的功能,制备方法简单易于实现大规模的生产。本论文的研究为油水分离材料的研制,提供了新的思路和方法。