基于PDMS改性的超疏水织布及其油水分离性能研究.pdf
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1、第5期第45卷第5期2023年10月文章编号:1674-2869(2023)05-0543-06武汉工程大学学报Journal of Wuhan Institute of TechnologyVol.45 No.5Oct.2023收稿日期:2023-07-03基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(CZY19005)作者简介:邓霞,硕士研究生。E-mail:*通讯作者:金士威,博士,教授。E-mail:引文格式:邓霞,付浚榕,向珍,等.基于 PDMS 改性的超疏水织布及其油水分离性能研究 J.武汉工程大学学报,2023,45(5):543-548.基于PDMS改性的超疏水织布及其油水分离性能
2、研究邓霞,付浚榕,向珍,蔡思,金士威*中南民族大学化学与材料科学学院,催化转化与能源材料化学教育部重点实验室,催化材料科学湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074摘要:含油废水的大量产生造成严重的环境污染,实现含油废水的高效油水分离引起社会的广泛关注。超疏水材料作为一种新型材料,对水和油的润湿性相反,具有高效分离油水污染物的能力。基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)改性的方法制备了多功能性的超疏水织布。在紫外光 365 nm,(5.00.6)mWcm-2 条件下,将化学性质稳定、机械性能良好的 PDMS接枝到 P25型二氧化钛钠米颗粒(P25 NPs)上,制备了无机-有机结合的超疏水涂层,将制备的
3、涂层用于织布改性。改性织布具有超疏水性,能有效地分离油水混合物,分离效率大于 99%,表现出良好的分离性能。将改性织布经过 100 次砂纸摩擦,100 h 高温(150)处理,100 h低温(-20)处理以及紫外光照射 100 h后也依然表现出稳定的超疏水性及油水分离效率。关键词:油水分离;聚二甲基硅氧烷;分离效率;超疏水织布中图分类号:TB306;O644.1文献标识码:ADOI:10.19843/ki.CN42-1779/TQ.202307007PDMS-Modified Superhydrophobic Fabric and ItsOil-Water Separation Perform
4、anceDENG Xia,FU Junrong,XIANG Zhen,CAI Si,JIN Shiwei*Key Laboratory of Catalysis and Energy Materials Chemistry of Ministry of Education,Hubei Key Laboratory of Catalysis andMaterials Science,College of Chemistry&Materials Science,South-Central Minzu University,Wuhan 430074,ChinaAbstract:The large-s
5、cale generation of oily wastewater often leads to serious environmental pollution,andeffective separation of oil and water in oil-water mixtures has attracted widespread attention.As a new type ofmaterial,superhydrophobic materials have the ability to efficiently separate oil-water pollutants due to
6、 theiropposite wetting properties towards water and oil.In this study,a multifunctional superhydrophobic fabricwas prepared based on the modification of polydimethylsiloxane(PDMS).Under ultraviolet light(365 nm,5.0 0.6 mWcm-2)conditions,an inorganic-organic superhydrophobic coating was prepared by g
7、raftingPDMS with stable chemical properties and excellent mechanical properties onto P25 type titanium dioxidenanoparticles(P25 NPs).The prepared coating was then used for fabric modification,which endowed thefabric with superhydrophobic properties.The modified fabric could be used for the separatio
8、n of oil-watermixture.The separation efficiency is higher than 99%,exhibiting excellent separation performance.Themodified fabric still maintains stable superhydrophobicity and oil-water separation efficiency even afterundergoing 100 cycles of sandpaper friction,100 h of high-temperature treatment(1
9、50),100 h of low-temperature treatment(-20)and 100 h of ultraviolet light irradiation.Keywords:oil-water separation;polydimethylsiloxane;separation efficiency;superhydrophobic fabric武汉工程大学学报第45卷石油泄漏或溢出、油田开采、炼油过程中产生的油水混合物往往会造成严重的环境污染,特别是对水体生态系统造成破坏。油水分离的目的是将这些油水混合物有效地分离开,以减少对环境的影响1。常见的油水分离方法包括重力分离、离心
10、分离、膜分离和化学处理等。重力分离是通过利用油水比重差异。将油水混合物静置一段时间,由于油和水的相对密度不同,组分一定的油水混合物在一定的压力和温度下,当系统处于平衡时就会形成一定比例的油相和水相。离心分离是通过高速旋转离心机,使油水混合物分离。膜分离是通过使用特殊的膜材料,利用其孔径大小选择性分离油水。例如:使水分子能穿过膜而油类物质无法通过。化学法处理则是通过添加化学物质,如吸附剂或氧化剂,使油与水发生化学反应或吸附,从而实现分离。但是这些油水分离方法存在各自的缺点。重力分离速度较慢,效率较低,在处理大量油水混合物时不够高效。离心分离设备成本较高,维护和操作也较复杂。膜分离需要耗费能源和维
11、护成本,且易受到油的污染而导致膜堵塞。化学法处理依赖于特定的化学物质,可能会产生二次污染,对环境造成潜在风险。与传统方法相比,超疏水吸油材料具有许多优点。首先,超疏水吸油材料具有良好的吸附能力,能够快速吸附油类物质,提高油水分离效率。其次,超疏水吸油材料可以重复使用,不仅节约成本,还减少了对环境的负荷1-2。此外,超疏水吸油材料无需额外的能源消耗和化学物质添加,更加环保3。最重要的是,由于其高效的分离性能和可持续性,超疏水吸油材料被广泛应用于油污染治理和废水处理领域,为解决油水分离难题提供了一种可行的解决方案4-5。近些年来,受到大自然超润湿生物的启发,不同仿生润湿性的材料被广泛报道,如超亲水
12、、超疏水、图案化润湿性、超疏油等材料。本文通过简单的物理混合和光接枝反应,将化学性质和机械性能稳定的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)修饰到 P25型二氧化钛纳米颗粒(P25 typetitanium dioxide nanoparticles,P25 NPs)表面。从环境友好和机械角度来看,PDMS 是一种常用的无 氟 疏 水 聚 合 物,用 于 构 建 超 疏 水 涂 层6-8。PDMS 作为超疏水材料具有高度疏水性、良好的化学稳定性、可重复使用、强大的吸附能力以及可塑性和可加工性等优点9-10。通过 TiO2纳米粒子杂化制备超疏水表面的方法引起了广泛关注
13、。PDMS 溶液可以通过简单的紫外线照射,接枝到金属氧化物(如 TiO2)上11-13。接枝后的复合材料具有疏水性、防液性、自清洁性和防止生物污染等特性。即使在紫外线照射下,这些接枝材料也能够长期保持稳定性。这使得 PDMS成为一种用于油水分离,并且体现出环境友好和良好的机械强度的理想材料。在这项研究中,首先将PDMS和P25 NPs均匀分散在乙酸乙酯中。接着,在紫外光照射下进行接枝反应,构建出具备良好疏水性质的涂层。然后,将洁净的棉布浸渍在超疏水涂层溶液中,形成超疏水织布。通过在溶液中进行简单搅拌和紫外光照射,可以实现PDMS和P25 NPs在洁净棉布上的接枝。这种超疏水织布能有效分离油水混
14、合物。1实验部分1.1材料二氧化钛(TiO2,21 nm)(嬴创(德固赛);PDMS(分析纯)、乙酸乙酯(C4H8O2,分析纯)、溴乙烷(C2H5Br,分析纯)、四氯化碳(CCl4,分析纯)、环己烷(C6H12,分析纯)、二氯甲烷(CH2Cl2,分析纯)、二氯乙烷(CH6Cl2,分析纯)(国药集团化学试剂有限公司)。1.2方法1.2.1超疏水织布的制备称取 2 g PDMS 均匀分散在20 mL乙酸乙酯中,并磁力搅拌15 min。然后再将0.03 g P25 NPs(21 nm)分散在上述溶液中,磁力搅拌 120 min。蒸发溶剂 24 h后,将其置于紫外光 (5.0 0.6)mWcm-2 条
15、件下进行接枝反应,形成稳定的涂层溶液。将织布浸渍在该溶液中,震荡搅拌 10 min,取出后,在通风的情况下干燥,最后形成超疏水织布。1.2.2油水分离实验将样品放置在两个带有玻璃管的聚四氟乙烯夹具之间,然后将水和重油(例如二氯甲烷、二氯乙烷、溴乙烷、四氯化碳)的混合物倒入夹具中以进行重油分离。称量油水分离实验 前 后 的 水 重 量,然 后 计 算 油 水 分 离 效 率(separation efficiency,SE):SE=(m1m0)100%(1)式中,mo为油水分离前水的质量,m1为油水分离后水的质量使用以下公式计算油通量:Flux=V AT(2)其中V是渗透溶液的体积,A是样品的面
16、积,T是渗透时间。544第5期1.2.3超疏水涂层的稳定性测试通过砂纸摩擦实验来测试样品表面机械性能稳定性,实验步骤包括以下内容:将制备好的超疏水织布平铺在的砂纸上。在织布上方放置一个重量为 200 g的砝码。以大约 7 cm/s的速度,牵引织布移动10 cm。重复该动作 10 次。最后,在完成 10 次摩擦实验后,使用10 L的水滴测量样品表面的水接触角、油水分离效率及油通量。进行 3次测量,并取平均值。关于织布的其他性能测试条件。紫外线照射下测试:将超疏水织布置于 365 nm 紫外线照射(5.0 0.6)mWcm-2 下,连续照射100 h。每10 h测定一次水接触角、油水分离效率及油通
17、量。高温测试:将超疏水涂层表面置于 150 的烘箱中,连续烘烤 100 h。每 10 h 测量样品表面的水接触角。低温测试:将样品表面置于零下 20 的条件下,连续测试 100 h。每 10 h测量样品表面的水接触角、油水分离效率及油通量。通过以上实验可以评估超疏水织布的表面机械性能稳定性,以及其在不同环境条件下的性能变化。2结果与讨论2.1材料表征将制备的溶液进行离心、洗涤、干燥得到超疏水颗粒。然后将超疏水颗粒分别放置于水和乙醇两种溶液中。通过观察其光学照片发现:颗粒放入水溶液中时,它浮在水的表面上方;而当放入乙醇溶液中时,颗粒沉于溶液的底部(图1)。这种观察结果表明,颗粒在水中不能被有效地
18、润湿,而在乙醇中能够被润湿。这说明颗粒对水具有较强的疏水性质,而对乙醇则具有较强的亲油性质。图1P25PDMS NPs在水和乙醇中的光学照片Fig.1Optical photos of P25 PDMS NPs in waterand ethanol通 过 扫 描 电 子 显 微 镜(scanning electronmicroscope,SEM)对制备的超疏水材料表面进行分析,可以观察到以下结构和特征:原始织布纤维表面具有毛刺结构,这些毛刺结构可能是由于制备过程中的机械作用或者纤维自身的特征导致的;由 P25 NPs和 PDMS形成了微乳头结构,这些微乳头结构提供了表面的粗糙度和复杂的微纳米
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