超疏水材料在油水分离领域应用研究现状及存在的问题

张雪梅，高晓明，牛风兴，杨晓霞



超疏水材料在油水分离领域应用研究现状及存在的问题

张雪梅，高晓明，牛风兴，杨晓霞

（延安大学 陕西省化学反应工程重点实验室，陕西 延安 716000）

近年来海洋原油污染问题引起严重的环境污染和生态破坏，迫切需要一种高效、低廉、环境友好的方法来进行油水分离。超疏水超亲油材料由于其独特的界面性质，可进行高效的油水分离。本文从二维超疏水材料和三维超疏水材料入手，分别介绍了国内外超疏水材料用于油水分离领域发展现状，提出超疏水材料用于工业生产存在的问题。

油水分离；超疏水；超亲油

近年来，关于工业含油废水乱排和海运石油泄漏事件的不断增多，海洋油污染已经充分引起了人们的重视。传统的油污废水处理技术（如就地焚烧、离心式分离、吸附剂分离等）存在操作步骤复杂、分离效率低、成本较高、产生二次污染等缺点，在实际的操作实施的过程中有一定的局限性，不能大规模用于海洋油污的治理[1-3]。因此，研究发展成本低、分离效率高、制备方法简单的新型油水分离材料得到了研究者的广泛关注。由于特殊浸润材料飞速发展，为油水分离领域提供了新的方法和技术[4]。特殊浸润材料利用油和水的特殊浸润性来选择性地分离油水混合物。特殊浸润材料主要包括：超疏水/超亲油材料，超疏油/超亲水材料，智能材料。其中由于超疏水材料能用于大规模海洋石油泄漏的处理，因此被广泛的研究。超疏水材料即水滴与固体之间的接触角大于 150°，而滚动角小于 10°。超疏水表面的构造一般需要具备粗糙度和低表面能物质两个因素[5,6]，而这样的表面一般是亲油的，因此超疏水材料被认为是一种能用于油水分离材料的基材。

1 二维多孔油水分离材料

2004 年 Jiang[7]等通过喷涂法将混合溶液喷涂在多孔的不锈钢金属网上，通过干燥处理使金属网具有超疏水-超亲油的特性，通过电镜观察，在不锈钢金属网表面形成了粗糙的微纳米结构，应用于油水混合物的分离达到了优异的效果。

Cheng[8]等采用化学刻蚀与分子自组装修饰法在不锈钢铜网上构筑微纳米铜颗粒，并将低表面能物质修饰在其表面，通过接触角测量，水接触角高达 164.3°

李红强[9]课题组制备了一种成本低、无污染、无氟、效率高的构造基于织物的超疏水表面材料。该方法采用价格便宜的正硅酸乙酯（TEOS）和含端羟基的聚二甲基硅氧烷（PDMS）为原料，以挥发性的盐酸为催化剂，通过气-液溶胶凝胶法直接在织物上构造出PDMS/二氧化硅（SiO2）有机无机超疏水表面，整个反应过程仅需60 min。超疏水织物在水、各种有机溶剂、强酸、强碱、沸水和冰水中长时间浸泡后仍能保持优良的疏水性能。该织物即使经过超声18 h洗涤96个循环或磨损600个循环接触角仍大于150°。

Zhang[10]等将织物浸泡在聚四氟蜡和氟化石墨混合分散液中，并加热固化，开发出了一高效、种简单制备超疏水材料（如图1所示）。该超疏水材料接触角为157.7°，该材料具有自修复功能，经人为机械破坏后仍具有良好的超疏水性能。

图1 稳定超疏水多级孔聚合物的一锅法无模板制备

ACS News Service Weekly PressPac报道德国Jürgen Rühe尝试了一种新的方式构建材料—仿蛇蜕皮疏水表面（如图2所示）。这种材料由三层材料组成，第一层是超疏水PFA材料（poly-1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl acrylate），中间层是水性PVP材料，底层又是超疏水PFA材料。在最上层的是“草”一样的纳米草层，中间层为水溶性聚合物层，底层为超疏水硅“纳米草”层。“纳米草”是由伸直了的微小针状突起组成。研究人员将划伤后的涂层材料浸泡在水中，水渗入伤口，被中间的水溶性聚合物所吸收，之后顶层的涂层像“蛇蜕”一样被剥离，露出底层疏水层。

图2 仿蛇蜕皮超疏水表面

2 三维多孔油水分离材料

三维网络结构超疏水材料由于其发达的孔隙和大的比表面积，为分离后的油相提供了巨大的存储的空间，且该材料经过机械挤压即可达到将吸附的油相快捷分离目，便于其循环利用。该超疏水材料三维骨架主要包括：聚氨酯海绵、石墨烯气凝胶、纤维素海绵等[11-13]。

Dickerson[14]等以聚氨酯海绵为三维骨架，用十八烷基三氯硅烷对其表面进行改性，经测试水滴的接触角达到 151°。在经过 1 000 次的循环周期后吸收容量仍然保持率大于 90%。

Zhang[15]等采用一种简单的方法制备三维超疏水海绵，先用硫脲还原氧化石墨烯(GO)得到巯基化石墨烯(GSH)，GSH是疏水的，接触角可达到128度，然后分散于乙醇中，将海绵浸泡其中干燥后，制备出超疏水海绵，通过浸泡的次数来控制固载量，固载量为7.5wt% 时接触角达到160.5度，这是由于海绵本身构成了一定粗糙度，吸附疏水的GSH后，在骨架上进一步形成尺寸较小的粗糙度。通过吸油实验，发现可以快速地吸收各种有机溶剂和油，同时质量达到自身重量30~90倍不等，吸收原油时也能达到47倍，经过10次循环后，吸收量基本不变化，其制备方简单、成本较低的特点，使其具有极大的实际应用前景。

李健[16]课题组报道了一种超疏水凹凸棒(含水富镁铝硅酸盐黏土矿物)负载的聚氨酯海绵油水分离吸附材料（如图3所示）。该超疏水凹凸棒负载的海绵材料直接用恶劣环境下的油水分离。更重要的是，利用该超疏水凹凸棒负载的聚氨酯海绵材料成功地实现了常见水包油乳液的高效分离。这种具有较好的化学稳定性和高效(大于99%)的油水分离吸附材料将在实际污水处理中有广泛的应用前景。

图3 超疏水凹凸棒负载的海绵材料用于多种油水混合物分离实验结果

3 存在的问题

将超疏水表面构造在网状或多孔性物质上，可以实现油水分离，这在控制或减轻由石油频繁泄露所引起的海洋污染方面展现出巨大的应用潜力，十分有助于保护海洋环境和推动海洋产业的可持续发展。然而，目前超疏水材料在制备的工艺和过程中还存在以下问题：（1）大部分超疏水材料为了提高其超疏水性能，对其表面采用含氟类化学物质进行低表面能修饰，大大提高了其成本；（2）很多超疏水材料制备步骤复杂，制备条件苛刻，制备周期长；（3）超疏水材料表面收到外界的机械摩擦，其超疏水性能易遭到破坏。以上这些问题制约了超疏水材料在油水分离领域的实际应用，因此价格低廉的原料，简单的制备过程，表面强的机械稳定性将是未来制备超疏水表面的研究热点

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Research Status and Existing Problems of Super Hydrophobic Materials Used in Oil and Water Separation

,,,

(Shaanxi Key Laboratory of Chemical Reaction Engineering,Yan’an University, Shaanxi Yan’an 716000, China)

Marine oil pollution problems caused serious environmental pollution and ecological destruction in recent years. So it is urgent to develop a efficient, cheap and environmentally friendly approach to separate oil and water. Because the super hydrophobic materials have unique interfacial properties, they can be used to separate oil and water efficiently. In this paper, application of super hydrophobic materials in oil-water separation field at home and abroad was introduced from the aspects of two-dimensional super hydrophobic materials and three-dimensional super hydrophobic materials, and the existing problems in application of the super hydrophobic materials in industrial production were put forward.

oil-water separation；super hydrophobic；super-lipophilic

2017-10-23

张雪梅（1987-），女，讲师，硕士，陕西省延安市人，2011年毕业于兰州理工大学，研究方向：工业催化，功能材料。

延安大学校级项目资助（项目号YDK2015-68）；陕西省教育厅重点实验室项目资助（项目号17JS141）。

TQ 028.8

A

1004-0935（2017）12-1240-03