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改性聚氨酯泡沫复合材料的制备及其在染料吸附和油水分离中的应用

孔丽颖  
【摘要】:随着社会工业、交通运输,海上石油开采和现代化工行业的高速发展,海上石油泄漏、有机化学试剂泄漏、染料废水的排放等对当地的水环境造成了严重的伤害。目前处理水污染的最基本手段是利用吸附材料吸收水中的污染物从而达到治理的目的。聚氨酯泡沫是典型的多孔吸附材料,它综合了高分子的材料性能、柔性材料的阻尼功能、多孔材料的高孔隙率、大比表面积、互通的孔洞结构的特点,是一种很好的吸附材料。因此对泡沫材料在水污染处理的研究就显得尤为重要。本文旨在发展高效、廉价和环境友好的方法,制备能够高效染料吸附、油水分离、重复使用性好的改性聚氨酯泡沫材料。本文主要的研究内容和结果如下:(1)以煤基材料为改性剂,采用一步发泡法制备聚氨酯发泡材料。对煤基聚氨酯发泡材料原料的配比进行了优化,得到新型煤基改性聚氨酯泡沫吸附材料。将其应用于水中含亮绿(BG)的吸附处理。研究了煤炭含量、吸附剂用量和吸附温度等条件,对BG染料溶液的吸附效率的影响。在最优条件下,染料的去除效率高达99.4%。等温吸附结果表明,Langmuir等温模型可较好模拟C/PUF对亮绿的吸附行为,且BG的最大吸附量达到134.952 mg/g。吸附动力学的研究结果表明,新型改性煤基聚氨酯泡沫材料对BG的吸附遵循伪二阶动力学模型。吸附剂具有较好的可重复使用性(吸收能力无明显变化),表明煤基聚氨酯泡沫材料是去除水中BG的理想的吸附剂。(2)将碳纳米管(CNT)用浓硝酸(HNO3)和浓硫酸(H2SO4)氧化得到CNT-OH。以CNT-OH和硅烷偶联剂(KH 570)为改性剂,通过一步法制备了新型吸收油和有机溶剂的聚氨酯(PU)泡沫疏水复合材料(CNT/PUF)。通过扫描电镜(SEM)观察了聚氨酯泡沫材料改性前后的泡孔结构和泡孔尺寸分布。研究了复合材料的热稳定性,通过水接触角(WCA),测试复合材料的疏水性。研究了CNT含量对CNT/PUF复合材料吸油能力的影响。结果表明,改性CNT的添加显着提高了聚氨酯泡沫材料的耐热性和吸油能力。(3)采用疏水氧化铝(Al_2O_3)作为改性剂,通过一个简单可行的方法来对聚氨酯泡沫材料进行改性。并对氧化铝改性的聚氨酯泡沫(Al_2O_3/PUF)材料的疏水性、吸油能力和循环使用性进行了测试。结果表明,改性后的PUF的表面水接触角大于140°,表现出良好的疏水性。油品可以在与改性后的PUF接触后几秒内很容易的被吸收。Al_2O_3/PUF的最大吸收容量是37 g/g,在经过10次循环实验周期后,改性后的PUF仍保持其高吸收能力。(4)利用水热法合成MnO_2纳米线,将其作改性剂,PU海绵作为多孔基材,采用发泡技术,制备了MnO_2/聚氨酯(PU)泡沫复合材料。为了增强疏水性和亲油性,使用了硅烷偶联剂(KH 570)对MnO_2纳米线的表面进行化学改性。结果显示,MnO_2/PU泡沫复合材料不仅可从水中有效地分离油,而且具有非常高的吸收能力。该材料在除去水中有机溶剂时,达到了其自身重量的40.15倍。更重要的是,这种MnO_2/PU泡沫复合材料具有优异的油回收性和再生性,在实际应用中可以满足各种油性废水和有机溶剂分离要求。(5)采用组合生物模板法和发泡技术,制备了一种Mg-Al多孔纤维(Mg-Al PF)/聚氨酯(PU)泡沫复合材料,并研究了其在吸收油和有机溶剂方面的应用。Mg-Al PF复合材料分级多孔结构由纳米片在微观的无机纤维上生长而形成的。Mg-Al PF复合材料改性后的聚氨酯泡沫复合材料具有优良的石油溶胀性。采用硅烷偶联剂(KH 570)对Mg-Al多孔纤维复合材料的表面进行化学改性后,与水接触角为146.6°,Mg-Al多孔纤维复合材料表现出良好的疏水性能。由于泡沫复合材料具有独特的孔隙结构、疏水性和溶胀性,其在去除水中油和有机溶剂的试验中,具有良好的选择性和吸收能力,不仅可以吸收浮油也可吸收水下的有机溶剂。这种聚氨酯泡沫复合材料对油和有机溶剂的吸收能力是其自身质量的5.06-44.81倍,在进行10次循环实验后,聚氨酯泡沫复合材料对石油和有机溶剂的吸收能力没有明显下降。这些优异的性能,可为聚氨酯泡沫复合材料在吸油及油水分离的实际应用,有广阔的应用前景。


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