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油水分离功能化表面的制备与性能研究

李东霖  
【摘要】:功能化表面(Functionalized surfaces)是指一些具有某种或者同时具有多种特殊功能的表面材料。制备这些功能化表面的灵感往往来自于生物体特殊的功能结构表面,例如具有自清洁功能的荷叶表面等。更重要的是,研究者们开发了一系列功能化表面的重要应用,包括耐腐蚀、防雾、抗结冰、运动减阻、油水分离、抗污以及增浮等领域。由于工业事故或者原油运输造成的油污泄漏频发,已经对生态系统产生了严重影响。为了解决油污污染问题,科学家们想出了很多策略来设计新型的油水分离表面或者器件。因此,为了进一步拓宽功能化表面在油水分离领域的实际应用,本论文拟通过把功能化表面与调速型蠕动泵(BT300-2J)相结合,将功能协同的理论引入到设计体系当中从而发展了新一代用于油水分离的超疏水功能化器件。以非磁性海绵铜与磁性海绵镍作为非电金属沉积的基片,均匀快速地制造多尺度叠加的粗糙显微结构,进一步引入硫醇分子进行化学改性,得到的功能化表面的水接触角为151.1±0.5°而油接触角接近0°。经过巧妙的磁操控,由该表面设计组装的器件可以连续高效地分离并且集成油水混合物中离散在不同部位的油污。将泵速依次设为30 rpm、40 rpm、50 rpm、60 rpm、70 rpm、80 rpm,集油器里始终不会收集到任何水。实验结果表明,该器件的平均油水分离效率高达95%。为了说明该器件高效收集的机理,我们首次描述了空气开关的概念,即利用泵管与该器件底部之间~1 mm厚的空气层作为自适应集油开关来实现油污“开-停-开”连续收集功能。此外,该器件对于单一油污以及两种以上油污都可以连续循环使用10次以上,满足了当今社会发展对于材料环保、廉价、智能的要求。


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