特殊潤濕性表面構(gòu)筑及其在海洋環(huán)境下油水分離研究.pdf

1、海洋及淡水約占地球面積的71%以上，不僅孕育了各種生物而且儲藏著像石油、天然氣、礦產(chǎn)等人類賴以生存的重要能源。隨著陸地資源的短缺，人類對資源的開發(fā)與利用逐漸由陸地轉(zhuǎn)向海洋。在海洋資源的開發(fā)與利用的過程中產(chǎn)生的含油污水對海洋環(huán)境的影響越來越大。傳統(tǒng)的油水分離材料由于其分離效率低已不能滿足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。故人類對海洋資源開發(fā)與利用過程中亟需先進(jìn)、綠色的材料以滿足可持續(xù)性發(fā)展。同時，苛刻的海洋環(huán)境對材料的應(yīng)用提出了更高的要求。
　　

2、本文通過材料表面微納米形貌構(gòu)筑與化學(xué)改性相結(jié)合的方法，設(shè)計并制備了兩種特殊潤濕性表面。研究了表面微結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成與材料表面潤濕性的關(guān)系并依靠其特殊潤濕性分別應(yīng)用在油水分離、減阻、防腐蝕、自清潔等方面。
　　通過化學(xué)修飾的方法，在粗糙的聚氨酯海綿表面構(gòu)筑一層響應(yīng)性長鏈烷烴分子刷，實現(xiàn)了聚氨酯海綿的超疏水、超親油性，并用來清除、回收海面溢油。超疏水-超親油聚氨酯海綿與普通聚氨酯海綿相比疏水性、親油性、吸油速率得到顯著提高，對水接觸角達(dá)

3、到152°，呈現(xiàn)超疏水性，可以吸附自重23倍的原油，溢油清除效率高。此外，改性后的聚氨酯海綿具有93%的保油率，可以有效防止吸油飽和海綿運輸過程中的泄漏引起的二次污染。超疏水-超親油聚氨酯海綿不僅可以有效地清除和回收水面及水下溢油，還可以分離穩(wěn)定油包水乳液。超疏水-超親油聚氨酯海綿具有優(yōu)異的力學(xué)性能，經(jīng)400次壓縮后仍具有良好的疏水性、彈性以及保油性，可在溢油回收過程中重復(fù)使用。
　　為了解決疏水-親油柔性三維多孔材料在溢油處理中

4、需要大量的人工鋪灑、擠壓等繁重、有毒的工作及回收過程中對材料的損傷，在金屬網(wǎng)表面通過模仿水黽超疏水腿部結(jié)構(gòu)獲得了具有自動吸油、水面快速移動、減阻、防腐蝕的超疏水-超親油多孔金屬網(wǎng)船。通過多孔金屬網(wǎng)船來實現(xiàn)海洋溢油回收的高效、自動、無人化。制備的涂層具有穩(wěn)定的超疏水性，水滴接觸角可達(dá)到158°，滾動角5°。其超疏水性保證了多孔金屬網(wǎng)船在水面行駛，水面載重量為自重的14倍。制備的涂層對油滴接觸角為0°，其超親油性賦予了多孔金屬網(wǎng)船自動吸油的

5、特性。多孔金屬網(wǎng)船對多種油的油水分離效率均高于94%，并且可以重復(fù)使用。制備的涂層具有優(yōu)異的減阻性。吸油前，超疏水滑移表面最高減阻為20.02%。吸油后，低粘附滑移表面最高減阻為39.04%。此外，低阻力、超疏水-超親油涂層還具有優(yōu)異的抗腐蝕性以及耐摩擦、剝離、溶劑性。
　　通過氧化鋅（ZnO）多級形貌與低表面能聚二甲基硅氧烷（PDMS）的協(xié)同作用在多種金屬表面成功制備了低粘附超疏水涂層。水滴在其表面的接觸角達(dá)到154°，滾動角7

6、°，并且超疏水性質(zhì)穩(wěn)定。粘附力結(jié)果顯示制備的超疏水涂層具有超低的對水粘附力（0.0062 mN），可以有效避免腐蝕性液體在其表面的聚集，抑制腐蝕性液體對涂層的滲透作用。電化學(xué)測試以及鹽霧實驗測試結(jié)果顯示制備的超疏水涂層具有優(yōu)異的防腐蝕特性，腐蝕電流密度相對空白低碳合金鋼可降低兩個數(shù)量級，120 h鹽霧實驗無銹蝕。超疏水涂層制備方法可在多種金屬表面制備，具有普適性，并能有效抑制金屬表面腐蝕的發(fā)生。
　　通過簡單的纖維素溶解-再生過程

7、得到超親水-水下超疏油纖維素海綿，無需氟化處理，纖維素海綿在水下對多種油類的接觸角均大于150°。此外，纖維素海綿具有優(yōu)異的耐強酸、堿、鹽的腐蝕性。掃描電鏡圖片顯示制備的纖維素海綿具有雙層結(jié)構(gòu)，包括上層的納米孔以及下層的大孔。纖維素海綿的表層納米孔保證了油水分離的高效性，大孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)起到支撐、增大水通量的作用。纖維素海綿本身的超親水性使得海綿可以僅依靠重力作用讓水相自由通過，水下超疏油性使得油相被阻擋在海綿上方，實現(xiàn)了油水乳液的分離。