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超亲水超疏油复合网膜的制备及其油水分离性能研究

来源:袁腾 浏览 607 次 发布时间:2022-11-11

生活污水及工业废水的大量排放、海上漏油事故的频频发生,对我们的污水处理能力提出了巨大的挑战。含油废水对环境造成了巨大的危害,如石油漂浮在海面上,迅速扩散形成一层不透气的油膜会阻碍水体的复氧作用,影响海洋浮游生物生长,破坏海洋生态平衡。含油污水处理起来也极为困难、效率低、成本高。膜分离具有能耗低、单级分离效率高、过程灵活简单、环境污染低、通用性强等优点,但是膜分离应用效率受膜的抗污染性、热稳定性、化学稳定性等内在因素及膜组件形式、操作条件等外在因素的限制。含油废水的超亲水超疏油膜处理法,即所谓Water-Removing法,该膜在空气或水中超疏油,并且对油表现出极低的粘附力,滚动接触角仅2~3°,有效防止了油滴的粘附。当含油废水接触膜表面时,水可以源源不断往下渗透,而表面始终保持超疏油性,油截留在表面从而达到油水分离的效果,且由于膜的潜在憎油性,油始终无法污染膜表面,是一种真正的抗污染、低能耗、长寿命、高效率的分离膜,从而成为未来油水分离膜的主要发展方向。


本论文在这一背景下,致力于研究开发超亲水超疏油油水分离膜,重点工作围绕着膜的表面润湿性、膜的化学稳定性和分离效率等的理论和应用方面展开,具体工作如下:


(1)毛细力学在超亲水膜分离过程中的应用及其力学模型的构建。文中运用毛细力学的思想考察超亲水膜分离过程的相关物理量,将基于特殊润湿性的膜材料的膜孔归类为毛细管孔道,在此基础上建立数学模型,对超亲水膜分离油水混合物中的受力情况进行了详细分析。从表面张力的角度计算分析了空气中超亲水超亲油膜在水下超疏油的原理;从毛细动力学的角度出发对膜分离过程中的毛细流动速率、毛细管总渗透速率、膜通量以及临界穿透压力等量进行了详细的计算,并通过实验进行了检验;在此基础上初步从毛细力学角度探讨了超亲水及水下超疏油分离膜的分离机理,为后面的实验制备提供理论指导。


(2)超亲水及水下超疏油油水分离膜的制备及油水分离性能测试。以机械性能良好的不锈钢丝网作为基材,以富含羟基的、具有优良成膜性、亲水性和保水性能的聚乙烯醇和羟基丙烯酸树脂为基本成膜物质、戊二醛为交联剂,掺杂亲水的无机纳米Si O2颗粒,构造了微纳粗糙结构,发现采用多次逐级涂装的方法,有利于提高膜的表面粗糙度,从而使膜的表面在自然环境下具有稳定的超亲水性能,采用简单的浸涂两步涂装法和加热固化法成功制备了水环境下具有超亲水和超疏油性质的油水分离膜。该膜可以有效分离各类油水混合物,如植物油、汽油、柴油和原油的油水混合物等,分离效率高达99%,可使处理后的污水含油量低于50mg/l。在分离过程中,网膜的水下超疏油和对油低粘附的特性使网膜不易被油粘附和污染,从而使油和材料的回收再利用简单易行。


(3)UV固化超亲水及水下超疏油油水分离膜的制备及油水分离性能测试。首先以具有良好防腐蚀性能和环境友好性的UV固化PUA/EA复合乳液对不锈钢丝网进行底涂前处理,在不锈钢丝网上构筑防腐保护层;接着以环境友好的、富含羟基的亲水性能优异的聚乙二醇二丙烯酸酯系列UV固化低聚物作为基础成膜物质,以PVA作为乳化剂,掺杂亲水的无机纳米Si O2颗粒,采用UV固化法构造了微纳粗糙结构;最后以亲水的较大分子量的单官能的聚乙二醇二丙烯酸酯UV固化低聚物对膜的表面进行接枝,从而使膜的表面具有分子刷结构,得到一种适用于复杂化学环境和具有自清洁功能的,水环境下具有超亲水和超疏油性质的油水分离膜。该膜可以有效分离各类油水混合物,使处理后的污水含油量低于50mg/l。在分离过程中,网膜能够有效抵制废水中酸对基材的腐蚀,膜表面的亲水分子刷结构使油在膜表面的粘附力极低,网膜不易被油粘附和污染。


(4)湿度响应超亲水超疏油油水分离膜的制备及油水分离性能测试。首先,以具有良好防腐蚀性能和环境友好性的UV固化PUA/EA复合乳液对不锈钢丝网进行底涂防腐前处理;其次,合成了亲水疏油聚合物作为基础成膜物质掺杂上一章中的UV固化亲水涂料中,以PVA作为乳化剂,掺杂亲水的无机纳米Si O2颗粒和疏油改性的无机纳米Si O2颗粒,构造了微纳粗糙结构,采用简单的浸涂涂装法和光热双重固化法成功制备了水刺激响应超亲水和超疏油性质的油水分离膜。该膜置于水环境下一段时间后,在水的刺激相互作用下,亲水基团会自组装到膜的表层,疏油基团位于底层,从而表面具有稳定的亲水性,而膜的底层是疏水疏油的,在液柱压力的作用下,水可以穿透下层疏水层而渗透下去,而油则需要穿越上层亲水层和下层疏水疏油层的双重保护才能渗透,故而,调节合适的过滤压力,可以仅使水能够渗透,而油不能渗透,达到油水分离效果。而由于此类型的膜具有亲水层和疏水疏油层双层抗油污染层,从而具有更好的耐污性能。