超疏水材料在油水分離中的研究進展

葛崇志（安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南232000）

0 引言

石油作為當前主要的能源，在人類的生產(chǎn)和生活中有著重要的地位。在石油的開采和運輸?shù)倪^程中頻繁發(fā)生事故，造成大量的水體污染從而引發(fā)了一系列的生態(tài)危機，如何高效地將油類污染物與水體進行分離已經(jīng)成為世界級的挑戰(zhàn)。研究人員從自然界某些植物表面的特殊浸潤現(xiàn)象中得到啟發(fā)，如荷葉表面的超疏水性，并嘗試利用仿生超疏水分離材料進行油水分離，江雷課題組[1]首先進行了超疏水不銹鋼材料網(wǎng)膜應用于油水分離的的研究。在目前的實際應用中有二維、三維兩種類型的超疏水分離材料，本論文該角度出發(fā)對油水分離材料進行概述，首先對油水分離理論基礎(chǔ)進行了闡述，其次概括了相應的代表性研究工作，最后總結(jié)了該領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)并對其發(fā)展進行展望。

1 浸潤理論基礎(chǔ)

超疏水材料呈水疏油性質(zhì)，因而油可以自由通過疏水/親油膜，水則被阻擋在膜外，達到移除油的目的。CA(浸潤角)是表征材料浸潤性的重要手段，在光滑的固體表面可以通過楊氏方程來闡釋固體、液體表面能與浸潤角CA之間的關(guān)系：

式中:σLA為氣-液間的界面張力；σSA為氣-固間的界面張力；σSL為液-固間的界面張力,可知，當材料的表面能介于水和油的表面能之間時，可以同時具備疏水和親油性。對于粗糙表面，經(jīng)Wenzel，Cassie等人進一步修正后，分別得到Wenzel模型Cassie 模型，Wenzel 模型認為若表觀接觸角θR<90°,則θR隨著表面粗糙度R增加而減小；若理想接觸角θCA>90°,則θR隨R的增大而增大，所以可以通過提高表面粗糙度得到超疏水分離材料。在Cassie 模型中：粗糙固體表面存在著溝壑，研究表明液滴并不能完全充斥溝壑，其中被空氣所填充，此時固體表面表觀接觸角值的大小與材料表面的粗糙程度有關(guān)聯(lián)。因此可以通過在具有低表面能物質(zhì)的材料表面構(gòu)造微納米結(jié)構(gòu)以制備超疏水分離材料。下文將從維數(shù)角度對超疏水油水分離材料進行概述。

2 二維網(wǎng)膜超疏水材料

金屬網(wǎng)由于具有優(yōu)良的機械性能而備受研究者的喜愛，一般地通過涂層在金屬網(wǎng)表面構(gòu)筑微納米結(jié)構(gòu)賦予其超疏水的特性用于油水分離，其重復使用率遠高于相同功能的其他材料。Cai等[5]通過原位結(jié)晶法在原始不銹鋼網(wǎng)上涂上沸石涂層，然后使用環(huán)保的十六烷基三甲氧基硅烷化合物（HDTMS）對其進行了改性。制備的涂層具有良好的自清潔、防污和防腐性能。此外，涂層的網(wǎng)膜能夠在重力驅(qū)動下連續(xù)有效地分離不同類型的油水混合物，分離效率高達99.0%以上。

相對于金屬網(wǎng)膜紡織材料更易于大規(guī)模的生產(chǎn)，并且也擁有著良好的機械性能，F(xiàn)ang 等[6]采用三乙氧基硅烷（MPTES）表面改性的方法制備了超疏水織物，首先用MPTES對織物進行改性，然后在波長為365nm的紫外光照射下，利用硫醇-烯之間的反應將烯封甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）修飾的SiO2@Fe3O4納米粒子（MPS-SiO2@Fe3O4）固定在織物表面，結(jié)合原始織物固有的微纖維結(jié)構(gòu)，在織物表面構(gòu)建了層次化的微/納米結(jié)構(gòu)。最終，這種層次結(jié)構(gòu)與疏水硅骨架和烷基固有的低表面能的結(jié)合賦予了織物優(yōu)異的超疏水性（WCA=156°）。該織物具有超疏水性和多孔結(jié)構(gòu)，具有較高的吸油量和滲透通量，可用于油水分離。此外，超疏水織物還具有優(yōu)異的抗剝落、耐磨性和耐化學性，具有穩(wěn)定的吸油性能和較高的油水分離效率。

3 三維多孔超疏水材料

相對于二維網(wǎng)膜材料，三維多孔材料擁有更高的吸油速率和儲油能力。通過簡單的擠壓即可實現(xiàn)油品的回收利用，其原材料豐富多樣，不乏環(huán)保的可降解材料以及植物纖維，在實際應用中顯現(xiàn)更大的優(yōu)越性。

可生物降解聚乳酸（PLA）是被廣泛認可的環(huán)保材料。然而，PLA受到其低疏水性的限制而無法作為油水分離中大規(guī)模應用的理想材料。Wang 等[7]開發(fā)了一種簡便的水輔助熱沖擊相分離方法，制備了性能優(yōu)良的無外皮PLA泡沫。在實際應用中，水滴與泡沫表面接觸時會迅速滾落，滾落角小于5°。，最大飽和吸附容量為31.5 g/g，泡沫可以吸收油的重量約為其自身重量的12-31倍，吸油后可通過離心回收被PLA泡沫吸附的不揮發(fā)油，通過這種方法除去吸附的油；對于揮發(fā)性有機溶劑，在吸附過程之后，可以通過加熱泡沫使其蒸發(fā)以實現(xiàn)循環(huán)吸油。此外，它在連續(xù)的油水分離測試中顯示出較高的采油效率（>98%）。聚合物乳化模板是一種有前景的制造多孔材料的技術(shù)，因為通過這種方式制備的材料具有靈活可控的性形狀和厚度。Zhang 等[8]提出了一條利用石蠟油基乳液技術(shù)大規(guī)模合成多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）海綿的簡便路線。用石蠟油將水乳化在PDMS 溶液中，可以形成穩(wěn)定的乳液。所制備的PDMS海綿骨架仍完好無損，這種方法成本低、速度快、易于推廣。所得PDMS 海綿的水接觸角為141.9±1°，對各種有機溶劑的吸附容量為13.5～33.3g。此外，多孔PDMS 海綿具有良好的吸油性和可重復使用性，在水凈化方面具有很大的應用價值。

4 結(jié)語

目前，超疏水油水分離材料的研究取得了一系列進展，但仍舊存在一些問題：①目前的分離材料應用的場景一般為不互溶油水，而關(guān)于分離乳化型油水混合物的研究鮮有報道。所以乳化型油水混合物中油水的分離也是未來研究應該關(guān)注的課題。②如技術(shù)復雜、生產(chǎn)成本過高等困難致使研究中表現(xiàn)出較好分離性能的材料被不容易規(guī)模化生產(chǎn)，很難用于解決實際問題，因此探索低成本、環(huán)境適應能力強的材料也就具有十分重要的現(xiàn)實意義。