油水分离超疏水泡沫材料的合成

The superhydrophobic EPDM foam rubber
原始泡沫橡胶(a-c)、三氯甲基硅烷(d-f)处理的 泡沫橡胶和泡沫橡胶内部表面(g-i)的SEM图像。
原始、粗化和改性泡沫橡胶的FT-IR光谱。
Applied Surface Science 451 (2018) 223–231
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选题的背景与意义
Wenzell 和 Cassie 、 Baxter 基于此发展了 Wenzell 模型和 Cassie
模型（见下图）。Wenzell模型认为水滴与固体表面保持接触，并渗
入到表面凹槽中，表面接触面积增大；而 Cassie模型认为水滴是悬 浮在固体表面凹凸槽上，液滴落在由固－液和固－气界面组成的复合 相上。
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纳米结构表面构型法
材料性能
可以吸收自身质量的20倍/自生体积的95%以上的油
Adv. Mater. Interfaces 2015, 2, 1500255
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纳米结构表面构型法
材料性能
经过300多次的重复实验后，仍能够保持极强的疏水分离性能
Adv. Mater. Interfaces 2015, 2, 1500255
为液－气界面的界面张力。
杨氏方程是一个理想化的模型，只适用于理想光滑的固体表面，如果是
具有一定粗糙度的固体表面，其表观接触角和本征接触角存在一定的差值， 固液实际接触面积大于表观接触面积，液滴完全进入到表面粗糙结构的空槽 中，因此必须考虑粗糙度对疏水性能的影响。
J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 22437–22464
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化学刻蚀-修饰法
制备方法
三元乙丙泡沫
硫酸溶液
亲水泡沫
三氯甲基硅烷 水解
超疏水泡沫
Applied Surface Science 451 (2018) 223–231
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化学刻蚀-修饰法
材料结构
The pristine EPDM foam rubber
The coarsed EPDM foam rubber
缺点：难以精确调控的反应条件 不宜大面积制备
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层层自组装法
利用分子间、分子内以及分子与基材表面 间的物理吸附力或化学作用力形成具有空 间有序排列结构的方法
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层层自组装法
制备方法
1 制备氧化石墨烯 (GO) 2 合成巯基化石墨烯(GSH)：HBr加入GO水性分散液中；加入硫脲 80℃,2h；加入 NaOH，降至室温清洗过滤；产物超声处理分散在乙醇中 3 制备超疏水巯代石墨烯海绵：海绵经丙酮和去离子水超声冲洗后，置于80℃烤箱 中保存3h；浸入GSH分散的乙醇中，干燥，GSH石墨烯纳米片包覆在海绵上。
缺点： 1.分离黏度高的油状污染物时效率会大大降低 2..相较于传统除油，成本较高
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谢谢
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化学刻蚀-修饰法
材料性能
接触角测试
(a)：最初的聚氨酯泡沫与水的接触角 (b): 铬酸刻蚀后的泡沫与水的接触角 (c) 、(d): FAS修饰后的泡沫与水、油的接 触角
Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 2881–2886
聚氨酯泡沫上的酸、盐、碱的球形液滴 的光学图像,其对不同腐蚀性液体具有稳 定的润湿性。
缺点：其机械强度差。
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纳米结构表面构型法
在具有低表面能物质的材料表面 构造微纳米结构
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纳米结构表面构型法
贻贝和荷叶表面具有优异的疏水性能
放大的荷叶表面
大量乳突式纳米颗粒形成Cassie模型的凹凸槽
ACS Nano 2014, 8, 2, 1402-1409
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纳米结构表面构型法
制备方法
1.纳米粒子的合成（200℃下水热18h合成Fe3O4粒子）
油水分离---超疏水泡沫的设计
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在一块经过表面处理的聚氨酯泡沫，其表面上滴加汽油和 水
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1 选题的背景与意义
CONTENTS
目录
2 化学刻蚀-修饰法 3 层层自组装法 4 纳米结构表面构型法 5 总结
3
选题的背景与意义
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选题的背景与意义
近年来，随着城市化和工业化进程的加快，水体中油类污染物和石油泄漏问题日益 突出，对人类健康、水环境以及生态环境平衡造成了很大的危害，油污染水源已经成为 全球亟需解决的重要环境问题之一，如何快速高效地对油污染水源进行油水分离已引起 各国政府和公众的广泛关注。
虽然传统的方法，如撇油器，离心机，聚结，沉淀池，深层过滤器，磁力分离，浮 选技术，油的点燃和吸收都可以去除这些含油废水中的油，但这些方法通常占用空间大
而且太复杂应用受限。油水分离材料的研究为解决上述问题提供了一种途径，可以利用
其独特的化学结构以及特殊的润 湿性能来制备一种界面润湿性明显的材料，如超疏水／ 超亲油或者超亲水／超疏油材料应用于油水分离，例如碳质纳米纤维水凝胶和气凝胶， 海绵，聚合物，金属，金属氧化物和氢氧化物，氮化硼基材料，沸石，氧化石墨烯和类 金刚石碳等已经被使用。
2.泡沫基底的表面处理（超声清洗）
3.纳米粒子的锚定：在多巴胺盐和纳米颗粒的乙醇溶液中浸没12h，用水冲洗后干燥。
ACS Nano 2014, 8, 2, 1402-1409
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纳米结构表面构型法
材料结构
在合适的pH条件下，制备得到的疏水泡沫表面 具有均匀分散的Fe3O4纳米颗粒
ACS Nano 2014, 8, 2, 1402-1409
Chemical Engineering Journal 316 (2017) 736–743
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层层自组装法
材料结构
（a）GO （b）GSH
Θ =160.5°
0％GSH
2.5％GSH
5.0％GSH
7.5％GSH
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Chemical Engineering Journal 316 (2017) 736–743
J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 22437–22464
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选题的背景与意义
超疏水超亲油表面的润湿机理就是结合了Wenzell模型和Cassie模型，使 得固体表面同时呈现出两种不同状态的接触角。
根据材料表面润湿性的特殊原理，制备超疏水－超亲油材料必须具备两
个条件：材料表面的微纳米结构和具有低表面能的材料表面。 因此制备这类材料可分为两种途径：
层层自组装法
材料性能
将氯仿和NaCl水溶液的混合物通过海绵倒入AgNO3溶液中
AgNO3溶液澄清不浑浊
只有氯仿能够穿过超疏水海绵
Colloids and Surfaces A 457 (2014) 397–401
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层层自组装法
层层自组装法小结：
优点：设备简单，条件温和，是一种简单、廉价的方法 可以制备大面积的超疏水性泡沫
①在材料的表面构造微纳米结构后，再利用低表面能物质修饰材料表面；
②在具有低表面能物质的材料表面构造微纳米结构。
制备方法多种多样：刻蚀法、层层自组装法、纳米结构表面构型法、喷雾干燥 法、化学气相沉积、溶胶凝胶法等
Adv. Funct. Mater. 2018, 1801114
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化学刻蚀-修饰法
采用化学的蚀刻技术，有效地增加材 料的粗糙度，而后以硅烷偶联剂等修 饰表面，得到三维网络结构
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化学刻蚀-Baidu Nhomakorabea饰法
材料性能
用EPDM泡沫对水体表面(a)的己烷(含苏丹III)、水底(b)的二氯甲烷 (含苏丹III)进行吸附的一系列照片。
Applied Surface Science 451 (2018) 223–231
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化学刻蚀-修饰法
化学刻蚀-修饰法小结：
优点：可以能够有效地增加材料的粗糙度，从而调控表面的疏水性
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化学刻蚀-修饰法
制备方法
聚氨酯泡沫
铬酸溶液
超亲水泡沫
FAS
超疏水泡沫
Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 2881–2886
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化学刻蚀-修饰法
材料结构
SEM
a c : 铬酸刻蚀前的聚氨酯泡沫 b d: 铬酸刻蚀后的聚氨酯泡沫
Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 2881–2886
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选题的背景与意义
油水分离实际上是发生在固、气、液 （水和油）相界面上的润湿行为。
固体表面的润湿性主要由固体表面的化学组成和表面微观结构共同决定。 当 水滴停留在光滑的固体表面上时，接触角可以通过杨氏方程来描述：
接触角大于90°称为超疏水
式中， γ γ
ｌｖ
ｓｖ
为固－气界面的界面张力； γ
ｓｌ
为固－液界面的界面张力；
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纳米结构表面构型法
材料性能
将泡沫放在油水混合物表面，在磁场的作用下控制 泡沫的移动进行快速的分离
ACS Nano 2014, 8, 2, 1402-1409
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总结
超疏水泡沫在油水分离中具有以下优点： 1.分离操作简单，应用场所广泛 2.分离效率高，不产生二次污染 3.疏水泡沫可以多次循环利用 4.可以通过不同的表面修饰进行多功能化