极端润湿性油/水分离筛制备与应用

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海上溢油、工业生产和家庭生活产生的含油废水对水体环境和生态系统造成了严重的威胁,如何将油/水混合液进行有效的分离一直是亟待解决的工程问题。极端润湿性油/水分离筛利用了油和水在其表面上润湿性差异,为该问题的解决提供了新的思路。阳极氧化法和激光加工法是两种常见的表面机械加工手段,而铜合金也是当前最常用的工业材料之一。本文以铜网和泡沫铜为基体材料,利用了阳极氧化一步法和激光加工法配合长链硅烷低表面能修饰的方法制备了极端润湿性油/水分离筛。本文研究内容主要包括:以铜网为基体,通过三因素四水平正交实验的极差分析结果,确定了阳极氧化一步法的制备参数最优组合。制备了具有超疏水/超亲油表面性质的极端润湿性油/水分离筛,其中,水滴接触角为153.0±2.3°,水滴滚动角为7.5°,油滴在2.6 s内被表面完全吸收,油滴接触角为0°。制备的极端润湿性油/水分离筛表面具有完整的微/纳二元尺度的粗糙结构,表面的主要组成成分为阳极氧化产物豆蔻酸铜。制备的极端润湿性油/水分离筛与原始铜网相比,腐蚀电流下降了一个数量级,经过剥离实验、摩擦测试和水下浸泡实验,表面仍然具备优良的疏水性能,表明表面具有优良的抗腐蚀性和机械稳定性。基于阳极氧化一步法制备的极端润湿性油/水分离筛,按照“水滚落,油滴落”的思路,设计了一套油/水分离装置。制备的极端润湿性油/水分离筛对不同类型的油水混合液的分离效率在92%以上,经过十次循环后分离效率在87%以上,且分离后的油液具有良好的纯度。以泡沫铜为基体,通过调控激光打标机的刻写速率、打标功率和扫描间距三个加工参数,对泡沫铜基体表面进行表面设计,使其具备满足Cassie润湿模型的表面微结构,之后利用十二烷基三甲氧基硅烷的自组装原理对加工后的泡沫铜进行低表面能处理。制备的极端润性油/水分离筛具备了超疏水/超亲油的表面润湿性,其中,水滴接触角为151.3±0.6°,水滴滚动角为8°,油滴在表面的通透性较好,油滴在1.7 s内被表面完全吸收,油滴接触角为0°。与阳极氧化一步法制备的极端润湿性油/水分离筛相比,激光加工法制备的极端润性油水分离筛有着更好的耐腐蚀性和机械稳定性。基于激光加工法制备的极端润湿性油/水分离筛,按照“水阻隔,油通过”的思路,设计了一套原位型油/水分离装置。制备的极端润湿性油/水分离筛对不同类型的油水混合液的分离效率在87%以上,经过十次循环后分离效率在85%以上,且分离后的油液具有良好的纯度。对利用阳极氧化一步法和激光加工法制备的极端润湿性油/水分离筛的特点和适用领域进行了比较分析和实验验证,为极端润湿性油/水分离筛的推广与应用提供了参考。
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