摘要
近年来，随着社会经济的进步，石油工业和海洋运输业不断发展，工业含油废水排放问题日益凸显，海洋溢油事故频繁发生，由于缺乏有效的处理工艺，造成了严重的环境污染问题，给环境治理工作带来了巨大的挑战。超疏水/超亲油海绵材料由于其良好的弹性、高分离效率以及优异的选择性吸收/分离能力等优点，被广泛应用于含油废水的处理中。 聚氨酯(PU)海绵是一种三维多孔材料，具有密度低、价格低、弹性好、吸收能力强等优良特性。同时，其表面含有大量氨基和羟基，易于进行化学改性，是制备超疏水/超亲油材料的理想基底。羟基化多壁碳纳米管(MWCNTs-OH)是一种二维碳纳米材料，由于其具有高纵横比、低密度和良好的环境化学稳定性，可用作吸附材料，同时其表面的羟基易于进行化学修饰，可以通过表面嫁接特定的有机基团以增强其表面疏水/亲油性能。本研究选用聚氨酯海绵为基体，选择了三种疏水长链硅氧烷对碳纳米管和海绵进行修饰，对不同的偶联剂和偶联反应时间进行了优化，并通过一步法得到超疏水海绵。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、界面流变仪、电位分析仪和热重分析仪(TG)对超疏水海绵进行了表征，探讨了改性前后聚氨酯海绵表面形态、化学组成以及润湿性的变化，并且测量了不同温度和离子强度对超疏水海绵吸油能力的影响。本论文主要研究成果如下: (1)分别选取二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化铵(OTA)、十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)和十八烷基三氯硅烷(OTS)作为偶联剂与羟基化碳纳米管和聚氨酯海绵(PU)反应，并将碳纳米管负载到海绵上，在降低海绵表面能的同时构筑了微纳米粗糙结构。同时考察了偶联反应时间对海绵疏水性的影响，最终确定了最佳改性条件为:以OTS作为偶联剂，在磁力搅拌条件下与羟基化多壁碳纳米管和聚氨酯海绵上充分反应24h，将偶联剂接枝在多壁碳纳米管和聚氨酯海绵的表面。然后，通过超声浸涂将碳纳米管负载到聚氨酯海绵上。制备得到的超疏水海绵(OTS-CNTs/PU)水接触角(WCA)为151.3±1.2°。 (2)对改性前后的海绵进行了表征。通过扫描电子显微镜照片可以看到海绵改性后其原有的三维多孔结构没有被破坏，并且由于多壁碳纳米管的负载导致海绵表面形成了微纳米粗糙结构;通过FT-IR分析了改性前后海绵表面化学组成的变化，证明了偶联剂已经成功接枝到海绵的表面。通过界面流变仪对改性后的海绵进行水接触角测试，结果表明改性后的海绵具有超疏水性。 (3)对超疏水海绵的机械性能和热稳定性进行了测试。结果表明，超疏水海绵可以承受更大强度的压力，并且在改性后热稳定性显著提高，且一定程度内的受热不会对海绵的表面润湿性产生影响，即使在80℃环境中放置300分钟，其水接触角仍大于150°(151.0±0.9°)。 (4)吸油能力测试表明OTS-CNTs/PU具有较高的吸附容量，可吸收自身重量14.99至86.53倍的油品，主要取决于油品的密度和粘度。在重复使用10次后，其吸收能力依旧保持在初始吸收能力的90％以上，具有良好的循环利用性能。 (5)测量了不同温度和离子强度下海绵吸油能力的变化，随着温度升高油品的粘度降低，随着离子强度增加海绵疏水性减弱，从而影响海绵的吸油能力，进而推出超疏水海绵对油品的吸收是基于毛细力和疏水力的共同作用。
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