【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(wèn)題變得日益嚴(yán)重,如何高效地對(duì)種類繁多、體系復(fù)雜的油水混合物進(jìn)行分離,獲得可重新利用的純水和高純度油品是我國(guó)乃至世界范圍的科學(xué)難題之一。通過(guò)調(diào)控材料表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成,使材料具有對(duì)水和油相反的潤(rùn)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(guān)注的油水處理技術(shù)之一。本文以仿生學(xué)為指導(dǎo),通過(guò)對(duì)多孔基材的表面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控,制備了多種特殊潤(rùn)濕性材料,并且實(shí)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(guò)噴涂等操作將已工業(yè)化生產(chǎn)、廉價(jià)易得的熱塑性丙烯酸樹(shù)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(jìn)行加熱處理,利用不飽和滲透作用引發(fā)熱塑性丙烯酸樹(shù)脂涂層浸潤(rùn)到無(wú)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(jī)械穩(wěn)定性、易修復(fù)性能以及儲(chǔ)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(shí)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(yīng)用潛力和價(jià)值。為提高材料適應(yīng)嚴(yán)苛的油水分離工作環(huán)境的能力,通過(guò)可交聯(lián)型熱固性酚醛樹(shù)脂(TPR)和廉價(jià)易得的疏水SiO_2納米粒子成功制備出水接觸角為156°,滾動(dòng)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(jī)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(xué)腐蝕性能,可耐多種有機(jī)溶劑,強(qiáng)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(dá)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(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高鹽的油水混合物,對(duì)苛刻的油水分離工作環(huán)境的適應(yīng)性極強(qiáng)。針對(duì)復(fù)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(guò)高效的光引發(fā)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)將疏水性的SMA和具有pH響應(yīng)基團(tuán)的十一碳烯酸接枝到硫醇官能化棉布上,制備pH響應(yīng)可轉(zhuǎn)換潤(rùn)濕性棉布。制備的棉布表面具有較好的循環(huán)響應(yīng)能力,可在pH為7和13的溶液中可以靈活地實(shí)現(xiàn)超疏水性和超親水性之間的切換。pH響應(yīng)棉布的拉伸斷裂強(qiáng)度強(qiáng)于原始棉布,而且在500次剝皮實(shí)驗(yàn)后,棉布仍具有出色的超疏水性。該pH響應(yīng)型棉布不僅能高效地分離復(fù)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(shí)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(chóng)背部結(jié)構(gòu)集水原理的啟發(fā),通過(guò)仿生設(shè)計(jì)了一種具有超親水凸起的超親水-超疏水復(fù)合潤(rùn)濕性表面。我們?cè)诨纳辖M裝親水性SiO_2微粒,然后旋涂一層超疏水涂膜,通過(guò)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(fù)合潤(rùn)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(fù)合表面的水珠聚集運(yùn)動(dòng)行為,并提出了油中水珠在復(fù)合表面的聚集機(jī)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(rùn)濕性梯度差可以對(duì)附近的水珠產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用,驅(qū)動(dòng)水珠聚集在親水SiO_2微粒上。針對(duì)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(fù)合潤(rùn)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(fù)合潤(rùn)濕性濾網(wǎng)。將該濾網(wǎng)應(yīng)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(guò)濾網(wǎng),實(shí)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(fù)合潤(rùn)濕性不銹鋼濾網(wǎng)對(duì)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(fù)合潤(rùn)濕性不銹鋼濾網(wǎng)分離乳化油包水后的油液純度達(dá)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(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O647.5;O652.6;TB306
【圖文】：

第一章 緒論、運(yùn)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(wèn)題變得日益嚴(yán)浮海面上的石油容易擴(kuò)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(zhǎng)，破壞海洋生態(tài)平衡[4]。油是水資污染物，同時(shí)，水也是油液系統(tǒng)中的一種污染物。油中含水會(huì)含水則會(huì)大大縮短內(nèi)燃機(jī)車、船舶等動(dòng)力裝置的使用壽命并效地對(duì)含油廢水和含水廢油進(jìn)行油水分離，獲得可重新利用國(guó)乃至世界范圍的科學(xué)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(shí)，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(shí)體系三相交點(diǎn)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(diǎn)處進(jìn)行力學(xué)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(shí)，

圖 1-3 固體表面的五種經(jīng)典潤(rùn)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(rùn)濕真實(shí)表面上粗糙結(jié)構(gòu)的間隙，達(dá)到均勻潤(rùn)濕狀態(tài)，并且液體受到一定的朝著固體方向的毛細(xì)管力。Wenzel 模型是由科學(xué)家 Wenzel提出，他認(rèn)為真實(shí)表面的固-液接觸面積大于對(duì)應(yīng)的潔凈理想表面的面積，進(jìn)而影響了材料的潤(rùn)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(yīng)的粗糙度，定義為粗糙表面實(shí)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(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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本文編號(hào)：2801366