超浸润多孔金属材料油水分离特性及耐久性研究

【摘要】：随着社会经济的发展,石油工业、制造业、餐饮行业等所产生的含油污水越来越多,尤其是含有多种表面活性剂的乳化油稳定性非常强,如果不及时处理将会对生态环境和人类健康造成巨大危害,如何经济高效的进行油水分离已成为一个亟待解决的问题。超浸润性表面由于对油和水具有不同的润湿性,从而能够有效分离油水混合物,多孔材料的孔径大小及其表面微纳米结构稳定性对分离不同性质的含油污水及分离的持久性具有重要影响,因此,开展多孔金属材料表面改性、孔径调控和耐久性研究,对实现高效油水分离具有重要意义。在已有的研究基础上,本文重点开展了以下研究：以孔径为450μm的泡沫铜为基底,采用阳极氧化、一步法生长ZnO纳米椎、两步法生长ZnO纳米棒、电沉积预粗糙化后生长ZnO纳米棒等四种工艺构建了不同的表面形貌,经氟化获得良好的超浸润性及油水分离性能。研究了结构形貌对耐久性的作用规律,并深入分析影响结构稳定性的因素。实验发现,Cu(OH)2纳米线结构细长,易倾倒折断：ZnO纳米椎结构与基底结合不牢,受液体或颗粒物的冲刷,易被损伤,甚至脱落;ZnO纳米棒阵列规整,与基底结合面积大,稳定性好；然而,与平滑的基底相比,粗糙化后增大了膜基结合力,连续油水分离30次,表面仍保持超疏水性,分离效率在99.81%以上。在磁力搅拌和双阳极条件下,成功地对泡沫铜的微孔结构参数进行了调控。研究表明,随着电沉积时间的延长和电流密度的增大,沉积的铜颗粒越来越多,沉积层逐渐变厚,从而达到增粗骨架、缩小孔径的目的。通过以上技术实现了泡沫铜孔径在50-450μm之间有效调控,在其表面构建粗糙结构并氟化,获得99.8%的油水分离效率。以孔径为5μm的不锈钢纤维毡为基底,预刻蚀粗糙化后生长ZnO结构,氟化后获得超疏水超亲油性,对层状油水混合物的分离效率可达99.9%,并可有效分离稳定的油包水乳液,分离后乳液中水滴粒径均在0.1μm以下。然而其对水包油乳液仅有部分分离效果,因此探索了利用PVA-SiO2与不锈钢纤维毡的复合技术,进一步缩小纤维毡的孔径至1μm左右,借助于PVA的亲水性,有望分离水包油乳液。通过以上研究发现,基底表面粗糙度、纳米结构生长状态、整体的比表面积是影响结构稳定性及油水分离耐久性的关键因素。过滤材料的孔径大小、表面润湿状态是能否分离乳化油的主要因素。