【摘要】：頻繁的石油泄漏事故、急劇增加的工業(yè)含油廢水以及大量排放的生活含油污水使得環(huán)境污染問題變得日益嚴重,如何高效地對種類繁多、體系復雜的油水混合物進行分離,獲得可重新利用的純水和高純度油品是我國乃至世界范圍的科學難題之一。通過調(diào)控材料表面結構和化學組成,使材料具有對水和油相反的潤濕性,能讓油水兩相中的一相選擇性地被濾除或者吸附,成為目前最受關注的油水處理技術之一。本文以仿生學為指導,通過對多孔基材的表面微觀結構和化學組成進行設計和調(diào)控,制備了多種特殊潤濕性材料,并且實現(xiàn)了多種油水混合物體系的高效分離。本論文的主要工作有:通過噴涂等操作將已工業(yè)化生產(chǎn)、廉價易得的熱塑性丙烯酸樹脂和疏水SiO_2納米粒子依次修飾在不銹鋼濾網(wǎng)表面并進行加熱處理,利用不飽和滲透作用引發(fā)熱塑性丙烯酸樹脂涂層浸潤到無序的疏水SiO_2納米粒子涂層空隙中,最終固定疏水SiO_2納米粒子,成功制備出超疏水超親油濾網(wǎng)。制備的超疏水超親油濾網(wǎng)具有良好的機械穩(wěn)定性、易修復性能以及儲存穩(wěn)定性,可分離多種分層油水混合物,分離效率高于99.0%,而且循環(huán)利用率高。由該濾網(wǎng)制成的集油器能實現(xiàn)水面浮油的快速高效連續(xù)收集,展現(xiàn)出優(yōu)異的應用潛力和價值。為提高材料適應嚴苛的油水分離工作環(huán)境的能力,通過可交聯(lián)型熱固性酚醛樹脂(TPR)和廉價易得的疏水SiO_2納米粒子成功制備出水接觸角為156°,滾動角為2.5°,油接觸角小于1°的超疏水超親油不銹鋼濾網(wǎng)(SiO_2@TPR-SSM)。該SiO_2@TPR-SSM不僅具有良好的機械穩(wěn)定性,可耐暴力揉搓,還具有優(yōu)異的耐熱、耐沸水和耐化學腐蝕性能,可耐多種有機溶劑,強酸溶液,高濃度鹽溶液192 h以上。該濾網(wǎng)可有效地分離多種分層油水混合物,分離效率高達99.0%,循環(huán)利用率高于200次,并且能高效地分離沸騰的含強酸、強堿、高鹽的油水混合物,對苛刻的油水分離工作環(huán)境的適應性極強。針對復雜的重油-水-輕油三元混合物體系,采用巧妙的方法將綠色環(huán)保的生物原料PDA修飾在棉布織物上,獲得硫醇官能化棉布,然后通過高效的光引發(fā)點擊化學反應將疏水性的SMA和具有pH響應基團的十一碳烯酸接枝到硫醇官能化棉布上,制備pH響應可轉(zhuǎn)換潤濕性棉布。制備的棉布表面具有較好的循環(huán)響應能力,可在pH為7和13的溶液中可以靈活地實現(xiàn)超疏水性和超親水性之間的切換。pH響應棉布的拉伸斷裂強度強于原始棉布,而且在500次剝皮實驗后,棉布仍具有出色的超疏水性。該pH響應型棉布不僅能高效地分離復雜的油-水-油三元混合物,并具有優(yōu)異的自清潔性能,又能在水面或水下輕松去除油污,還能高效地實現(xiàn)重油和輕油的油水混合物的可控分離,適用范圍非常廣。受沙漠甲蟲背部結構集水原理的啟發(fā),通過仿生設計了一種具有超親水凸起的超親水-超疏水復合潤濕性表面。我們在基材上組裝親水性SiO_2微粒,然后旋涂一層超疏水涂膜,通過控制涂膜厚度使親水SiO_2凸起暴露在表面,制備了具有超親水凸起的超親水-超疏水復合潤濕性表面。系統(tǒng)地研究空氣中和油中在具有超親水凸起的超親水-超疏水復合表面的水珠聚集運動行為,并提出了油中水珠在復合表面的聚集機理和模型,即在油中,親水SiO_2微粒與超疏水涂膜的相界面存在潤濕性梯度差可以對附近的水珠產(chǎn)生較強的吸附作用,驅(qū)動水珠聚集在親水SiO_2微粒上。針對分離難度較大的乳化油水混合物體系,將具有超親水凸起的超親水-超疏水復合潤濕性表面修飾在孔徑為10μm不銹鋼濾網(wǎng)表面,制備超親水-超疏水復合潤濕性濾網(wǎng)。將該濾網(wǎng)應用在乳化油包水的分離中,其表面的超親水凸起能從油中捕獲和收集微小水滴,將微、納米尺寸的小水滴聚集成大液滴,被超疏水超親油的濾網(wǎng)截留,而乳化油包水中的油則能通過濾網(wǎng),實現(xiàn)乳化油包水的高效分離。比較超疏水不銹鋼濾網(wǎng)和具有超親水凸起的超親水-超疏水復合潤濕性不銹鋼濾網(wǎng)對乳化油包水的分離效率,具有超親水凸起的超親水-超疏水復合潤濕性不銹鋼濾網(wǎng)分離乳化油包水后的油液純度達到99.95%,其油中含水量比單純超疏水不銹鋼濾網(wǎng)分離的乳化油包水油液的含水量要低10-20倍。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O647.5;O652.6;TB306
【圖文】：

第一章 緒論、運輸業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，頻繁的石油泄漏事故水以及大量排放的生活含油污水使水資源污染問題變得日益嚴浮海面上的石油容易擴散形成一層不透氣的油膜，阻礙水體的氧，影響海洋浮游生物生長，破壞海洋生態(tài)平衡[4]。油是水資污染物，同時，水也是油液系統(tǒng)中的一種污染物。油中含水會含水則會大大縮短內(nèi)燃機車、船舶等動力裝置的使用壽命并效地對含油廢水和含水廢油進行油水分離，獲得可重新利用國乃至世界范圍的科學難題之一。

圖 1-2 Young 模型Fig. 1-2 The sketch of Yong液體接觸潔凈光滑的固體材料表面時，氣、液、固固-液表面張力（SL ）、氣-液表面張力（LA ）和氣-處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于分子間的引力作用，此時體系三相交點處， 和 的夾角即為接觸角（用 表穩(wěn)定狀態(tài)的液滴的三相交點處進行力學分析，得到SA SL LA + cos （1-1）稱為固-液間的本征接觸角，SA LA SL 、 、 分別為力，這就是非常著名的 Young 氏方程[24]。同時，

圖 1-3 固體表面的五種經(jīng)典潤濕模型[25]Fig. 1-3 Wettability models of solid surface[25](1) Wenzel 模型 (圖 1-3a)Wenzel 模型[26,27]表示的是液體能徹底潤濕真實表面上粗糙結構的間隙，達到均勻潤濕狀態(tài)，并且液體受到一定的朝著固體方向的毛細管力。Wenzel 模型是由科學家 Wenzel提出，他認為真實表面的固-液接觸面積大于對應的潔凈理想表面的面積，進而影響了材料的潤濕性，并提出了修正后的 Wenzel 方程。Wcos rcos （1-3）其中，W 為液滴在粗糙表面的接觸角，r為相應的粗糙度，定義為粗糙表面實際表面積與 清 潔 理 想 表 面 的 液 - 固 兩 相 接 觸 面 積 之 比 ， 且 恒 大 于 1 。

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 周佩慶;高鵬;;生物法處理油田生產(chǎn)污水應用研究[J];環(huán)境工程;2014年S1期

2 張博;王建華;吳慶濤;康志強;;現(xiàn)代油水分離技術與原理[J];過濾與分離;2014年02期

3 冀克儉,張銀生,尤瑜升,李學,譚文秀,張淑芳,裘理仁;酚醛樹脂固化過程的紅外光譜分析[J];分析測試學報;1993年02期

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相關博士學位論文 前1條

1 楊浩;超疏水/超親油不銹鋼濾網(wǎng)涂層的制備及表面潤濕性研究[D];華南理工大學;2010年

相關碩士學位論文 前1條

1 劉瑩;三元共聚的ATRP動力學研究及可交聯(lián)型含氟兩嵌段共聚物的制備與應用[D];華南理工大學;2012年

本文編號：2801366