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具有微纳复合仿生结构的油水分离膜材料的制备及性能研究

朱锦龙  
【摘要】:油水分离是工业领域面临的问题之一,而油水混合物的多样性增加了分离的难度。相较于传统油水分离手段,膜技术由于其能耗低、分离效率高得到了广泛关注和应用。微纳复合仿生结构的引入,大大提高了分离膜的分离效率。针对油水混合物形式的多样性,本论文设计制备了三种不同具有微纳复合仿生结构的油水分离薄膜。1.通过戊二醛对半互穿网络(semi-IPN)凝胶涂层中的线型高分子聚乙烯醇(PVA)进行交联,得到了具有互穿网络(IPN)凝胶涂层改性的不锈钢油水分离网膜。相较于semi-IPN凝胶涂层,IPN凝胶涂层具有更加粗糙的表面,这使其水下疏油性能得到提升。交联改性后网膜的接触角由141.50±0.50o增加至153.92±1.08o,同时对简单油水混合物的分离效率也由99.7%提升至99.8%。同时IPN凝胶涂层对于基底不锈钢网的粘附力更强,自身的强度也更大,最大压缩强度为97.00±7.69 kPa。2.通过Pickering乳液法制备了尺寸在百微米级的具有核壳结构的聚丙烯酰胺微凝胶,然后控制PVA湿膜的厚度制备了具有跨膜结构的油水分离膜。其中跨膜结构的存在大幅提高了薄膜的水通性能,相较于PVA薄膜水通量提升至2倍。同时微凝胶的核壳结构赋予了薄膜微纳复合仿生结构的表面,水下接触角同样从133o增加至142o。在常压和0.01 MPa两种操作压力下薄膜能够实现对水包油不稳定乳液的油水分离。在加压条件下,分离通量最高能达到1000 Lm-2h-1。对于所测试的大多数乳液,分离后的水中油含量小于100 ppm。3.在一定湿度环境下通过醋酸纤维素(CA)溶液的相分离和硅烷偶联剂的水解缩合反应制备了CA油凝胶,在溶剂置换后常温常压下干燥得到了有机无机复合气凝胶薄膜。薄膜表面具有微纳复合仿生结构,水滴在薄膜表面的接触角达到147.2±0.3o,同时油滴能在其上铺展。该气凝胶薄膜具有亚微米级的孔道尺寸,能够对稳定的油包水乳液有效分离。在0.01 MPa操作条件下,对直径约330 nm的油包水乳液分离通量达到1000-3000 Lm-2h-1,滤液中水含量低至100 ppm以下。


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