摘要
海洋溢油事故的频发和工业含油废水的大量排放，对人类赖以生存的生态环境造成严重危害，也带来不可估量的经济损失。海绵是目前以吸附法进行油水分离的常见材料，具有低成本、高孔隙率、低密度、可压缩性好等优点。本文针对已有改性海绵大多存在改性剂易于脱落使得油水分离效率下降，且部分改性剂带来二次污染等问题，构建新型超疏水吸油海绵，分别用于非均相油水混合物和油水乳液的分离，研究改性海绵在空气中的动/静态润湿行为，确定海绵的较优制备条件及关键制备因素，考察海绵的油水分离性能、循环使用性能、力学性能、以及在复杂环境下的超疏水稳定性。 首先，通过一步浸渍法，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)将气相疏水的SiO2纳米颗粒与WS2微粒负载到海绵上，得到超疏水PDMS@SiO2@WS2海绵。SEM、EDS、XRD、FTIR等表征结果观察到海绵的微纳米粗糙结构形貌和改性组分的成功负载，海绵在空气中动/静态润湿行为的研究发现其表面捕获大量空气阻止水滴而促进油滴渗入。PDMS@SiO2@WS2海绵在空气中的水接触角平均值为158.8°，进而根据水接触角的大小确定海绵的较优制备条件为:SiO2与WS2的质量比为3∶1、浸渍时间为50min、浸渍溶剂采用正己烷。PDMS@SiO2@WS2海绵能够分离十三种常见的油和有机溶剂，吸附能力是自身重量的21-112倍，分离效率均可达99.5％以上，分离后的油纯度大于99.8％，显示优异的油水分离性能。DFT理论计算阐明了三种改性组分对水分子均没有吸附作用，而SiO2和WS2对苯分子有不同程度的放热吸附，其中SiO2对苯的吸附作用最强，吸附能为-5.346eV。PDMS@SiO2@WS2海绵具有处理海洋溢油事故的潜力:连续式油水分离的通量最高可达104.9L·h-1·g-1;在10次挤压-吸附循环中保持稳定的吸附容量，在10次加载-卸载循环压缩实验中应力仅有3.9％衰减;在模拟海水中的高温、腐蚀、暴晒和湍流环境中依然保持超疏水稳定性。 进而，针对乳液分离体系，引入疏水改性的UiO66-SiOR粒子，构筑超疏水PDMS@SiO2@UiO66-SiOR海绵。XRD、FTIR、EDS等表征结果证明SiO2粒子和UiO66-OSiR粒子的成功负载。通过WCA分析海绵的水接触角高达160.7°，OCA分析海绵的油接触角为0°。PDMS@SiO2@UiO66-OSiR海绵能够分离液滴尺寸在5μm以上的常见的甲苯、石蜡、石油醚、正己烷的油包水乳液，分离效率均可达98％以上，分离通量均高于970L·m-2·h-1。海绵的乳液分离性能与自身孔径和润湿性密切相关:孔径小有利于海绵对乳液液滴的捕获，超疏水性强有助于UiO66-OSiR粒子的破乳作用。PDMS@SiO2@UiO66-OSiR海绵具有优越的力学性能和超疏水稳定性，在以60％恒定应变的10次加载/卸载循环压缩实验中，海绵的应力仅衰减了5％;在酸碱腐蚀、有机溶剂浸泡和超声环境中海绵的水接触角均在152°以上。 本研究通过一步浸渍法实现海绵材料的润湿性转变，使其在高效油水分离的同时实现复杂环境中的超疏水稳定性，为海洋溢油事故的修复和工业含油废水的治理提供新思路。
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