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一材多用的“两面神”型石墨烯基气凝胶:用于高效切换分离不同种类油水乳液
2019-10-08  来源:高分子科技

  随着石油开采的不断增加和石化工业的快速发展,工业含油污水排放和频繁性的漏油事故带来的含油废水污染严重危害着生态环境和人类健康。在各种类型的油/水混合物中,表面活性剂稳定的油/水乳液通常最难分离,因为它具有较高的稳定性和较小的液滴尺寸(<20μm)。与传统的油水分离材料相比,包括聚合物膜和其它多孔金属网/金属膜/棉织物等在内的超润湿性分离材料,在油水分离方面显示出无与伦比的优势,比如分离效率高、环境友好、成本低和操作简单等。但是,传统的超润湿性材料通常具有特定的单一润湿性,因此无法同时分离油包水和水包油乳液或分层的重质和轻质油水混合物。

图1. Janus石墨烯基气凝胶的制备流程

  针对上述问题,开发具有高分离效率和低能耗的新型分离材料以实现多功能的油/水乳液分离成为当前的一个重要研究方向。近日,青岛科技大学闫业海教授青年教师张广法共同通讯作者)在国际著名材料期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表一篇题目为“Robust Graphene/Poly(vinyl alcohol) Janus Aerogels with a Hierarchical Architecture for Highly Efficient Switchable Separation of Oil/Water Emulsions”的研究论文,报道了一种新型强健的石墨烯/聚乙烯醇Janus气凝胶。该Janus气凝胶通过简单的直接冷冻成型技术和贻贝启发的多巴胺单侧沉积法制备而成(图1),它表现出有趣的三维分层结构(致密的表层和较大孔径的内部蜂窝网络)(图2)。此外,该新型气凝胶还展现出理想稳定的非对称润湿性:一侧为高度疏水/超亲油,另一侧为超亲水/超亲油(图3)。

图2. Janus石墨烯基气凝胶的分层结构:不同制备阶段气凝胶的表面形貌(A1-C1)和内部形貌(A2-C2)

图3. Janus气凝胶的非对称润湿性:(a)未改性一侧表现为高度疏水/超亲油;(b)多巴胺改性一侧表现为超亲水/超亲油;(c)气凝胶侧面上的非对称润湿性数码图

  基于上述独特的三维分层孔结构和非对称的超润湿性能,通过简单调控该Janus气凝胶与待分离油水混合物体系的接触面,即可实现对多种高度乳化的水包油和油包水乳液以及分层油/水混合物的切换分离。值得一提的是,分离过程中不需要引入外部压力,仅在重力(<1 kPa)的驱动下便可实现高效的分离性能,对于模拟乳液,获得了1306 L m-2 h-1的超高渗透通量和99.7%的高截留效率。该分离通量比先前报道的二维Janus聚合物/无机膜提高了1-2个数量级(图4)。

图4.Janus气凝胶优异的油水乳液切换分离性能:(a)无表面活性剂油水乳液的分离通量,(b)表面活性剂稳定的油水乳液分离通量,(c)本研究中Janus气凝胶与其他代表性的分离材料的比较(分离通量和驱动压力)

  论文的第一作者为硕士生李玉珍,通讯作者为青岛科技大学青年教师张广法闫业海教授(共同通讯)。此研究项目由国家自然科学基金(51703113),山东省自然科学基金(ZR2017BEM039)和中国博士后基金面上项目(2018M630763)等资助。

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11277

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(责任编辑:xu)
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