隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,大量的含油污水被排放,同時海洋原油泄漏事件頻發(fā),對生態(tài)環(huán)境和人類的健康造成了嚴重威脅。傳統(tǒng)油水分離方法主要包括氣浮法、離心分離法、吸附和燃燒等,但均存在效率低、成本高、應用范圍窄等缺點。超浸潤分離膜由于具有結(jié)構可控性好、分離效率高和分離精度高的優(yōu)點,目前成為油水分離領域的研究熱點。
近期,中科院寧波材料所劉富研究員團隊(先進功能膜)在高性能聚偏氟乙烯(PVDF)油水分離膜方向取得了一系列新成果。
1)PVDF瞬時催化及油水分離膜。
針對復雜體系的油水分離問題,以機械性能和熱穩(wěn)定性能優(yōu)異的聚偏氟乙烯(PVDF)為基膜,制備得到具有微納米多級組裝結(jié)構的PVDF-AuNPs微反應器分離膜。首先利用聚多巴胺作為膜表面“功能涂層”,對PVDF基膜進行初步修飾,然后將AuNPs微球通過動態(tài)過濾的方法負載到PVDF的指狀孔內(nèi),形成微反應器。所得膜能夠?qū)邢趸椒拥乃蛷碗s體系,實現(xiàn)瞬時的硝基苯酚催化降解和油水分離。該方法對于將油水分離膜應用于實際含油廢水處理,起到了重要的推動作用。相關工作已經(jīng)發(fā)表于Chemical Engineering Journal, 2018, 334,579,王建強副研究員和吳紫陽為共同第一作者,劉富研究員為通訊作者。
圖1 PVDF指狀催化反應器的制備過程
圖2 PVDF膜油水分離及催化性能
論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589471731759X
2)具有超穩(wěn)定剛性浸潤表面的柔性PVDF油水分離膜。
針對通常聚合物微孔膜的表面微納結(jié)構不穩(wěn)定、在化學腐蝕及物理損傷下易蠕變及衰減的問題,通過仿生植物根系固定土壤模型,利用微孔PVDF膜表面的微納結(jié)構限域固定TiO2納米粒子,制備了具有剛性界面TiO2界面的柔性PVDF微孔膜。所得膜具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,能夠抵抗極端物理損傷(液壓、手指擦拭、液氮淬火后砂紙磨擦)、高溫和苛刻的化學腐蝕(強酸、強堿、強氧化劑次氯酸鈉),并且能夠連續(xù)有效分離含有表面活性劑的油包水乳液。在錯流模式下,通過負載超親水納米TiO2粒子制備的PVDF膜,可實現(xiàn)水包油乳液的連續(xù)分離(通量達1700 L ·m-2 ·h-1,分離效率>96%)(如圖3)。 相關工作已經(jīng)發(fā)表在Scientific Reports, 2017, 7: 14099,熊竹副研究員和林海波為共同第一作者,劉富研究員為通訊作者,文章發(fā)表后受到了同行的廣泛關注,該論文是2017年Scientific Reports期刊閱讀量最多的前100篇文章之一。
圖3 超浸潤剛性界面PVDF膜的制備過程
圖4 剛性界面PVDF膜油水分離性能
論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41598-017-14429-2
3)超大通量靜電紡絲PVDF油水分離膜。
除了油水廢液的復雜性和膜界面穩(wěn)定性的制約,油水分離膜往往也受限于膜的低通量和易污染性。針對該問題,團隊采用靜電紡絲技術,通過將靜電紡絲和靜電噴涂相結(jié)合,制備得到了具有超高通量的PVDF納米纖維油水分離膜,具有獨特的微米級纖維及納米級微球復合的結(jié)構。將該膜應用于高粘度的十甲基環(huán)五硅氧烷包水體系時,滲透系數(shù)高達88166±652 L ·m-2 ·h-1 ·bar-1(分離效率>99%),遠高于已報道數(shù)據(jù)。該方法制備過程簡單,無需復雜的表面改性過程,是一種適宜工業(yè)化生產(chǎn)的新方法。相關工作已經(jīng)發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 7014-7020。浙江理工大學的吳金丹博士和碩士生丁雅杰是論文的共同第一作者,王建強副研究員、浙江理工大學王際平教授和劉富研究員為該工作的共同通訊作者。
圖5 超高通量PVDF納米纖維油水分離膜的制備過程
圖6 納米纖維PVDF膜油水分離性能
論文鏈接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ta/c8ta01539b#!divAbstract
上述系列研究工作受到了國家重點研發(fā)計劃(2017YFB0309600)、國家自然科學基金(5161101025、51475449、51703233)、中科院青促會(2014258)和寧波市創(chuàng)新團隊(2014B81004)等項目的資助支持。
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