具有可控功能表面的多尺度孔結構水油分離材料的構建

《具有可控功能表面的多尺度孔結構水油分離材料的構建》是依託大連理工大學,由陶勝洋擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：具有可控功能表面的多尺度孔結構水油分離材料的構建
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陶勝洋

項目摘要

具有多組元、多層次尺度結構的多孔材料廣泛存在於自然界之中，然而，利用化學合成手段來構建這類材料，並賦予其特殊功能卻是一項富有挑戰性的課題。基於已取得的初步研究結果，在此，我們提出將表面化學性質與多層次孔結構相結合，構建具有水油分離性能的表面功能化多尺度孔結構材料。即利用無機凝膠過程中與溶劑產生的相分離現象，結合軟模板技術，構造在微米和納米兩個尺度上具有孔結構的分級多孔材料；採用有機矽烷化學改性技術，使材料表面覆蓋有特定的官能團，能夠與水油乳化物中的乳化劑（表面活性劑）產生較強的分子間作用力，對其進行吸附脫除，達到破壞乳滴結構，實現水油分離的目的。該課題的實施，一方面可使我們探索出一套簡單有效的方法來構建能高性能（高流通量、高分離性）水油分離體系；另一方面，這一結構體系的建立也將有利於對分子吸附，擴散及分子與固體表面相互作用等重要基礎性問題進行研究，為製備其他分離材料提供有價值的信息。

結題摘要

本課題研究了具有多尺度孔結構無機塊體材料的水油分離性能。我們採用膠體化學中的相分離手段和模板法，製備了系列二氧化矽和碳基分離材料；探索了材料孔結構和表面物理化學性質對水油分離過程的影響；得到了一系列具有優異水油分離能力的功能材料。我們製備的基於氧化矽的單塊材料單次反應產量可以達到1公斤量級，巨觀尺度可以達到厘米級尺寸，易於加工和套用，能夠直接作為吸附和分離材料使用。這種材料同時具有大比表面，大孔容和超浸潤性表面，能夠對水面浮油進行快速吸附。吸油量可以達到自身質量的8倍。這種材料對常見的汽油，柴油以及正己烷，甲苯等有機溶劑都有高效吸附作用。這種超浸潤性多尺度孔氧化矽能夠對水油混合乳液和含有乳化劑的微乳液進行高效分離，能夠有效地對微乳液進行破乳，達到去除水中油滴和油中微量水分的目的。我們採用熱化學手段深入研究了乳化劑和材料表面官能團相互作用的熱力學驅動機制，對不同超浸潤性表面表現出的不同分離性能做出了合理解釋。相關工作發表在國際知名的材料學期刊。在氧化矽材料的基礎上，我們進一步製備了碳基多尺度孔單塊材料，並通過調製其石墨化程度，對其浸潤性進行調節。這類碳材料也表現出優異的吸油性能。我們根據一些大密度油性污染物經常沉積在水下的情況，賦予碳基多孔材料磁性，使其在磁場作用下可以潛入水下，對高密度疏水性污染物進行有效吸附分離。這樣我們實現了對與水面浮油、水下沉油、水油乳液和微乳液等不同水油混合體系有效分離和富集，達到了消除環境污染，提高化石能源利用率的目的，為其他水油分離材料的製備提供了有益的參考。在按照要求完滿完成基金項目的同時，我們還利用多尺度孔結構探索了其在水溶性污染物消除和清潔能源存儲方面的套用，也取得了良好效果，為後續工作的開展打下了基礎。