极端浸润性多孔油水分离材料的飞秒激光微纳制备基础研究

In response to the serious environmental pollution caused by the frequency of oil-spill accidents and industrial wastewater discharges, this program presents a method for fabricating porous superwetting materials by femtosecond laser micro/nanofabrication, allowing the as-prepared materials to separate the mixture of high-viscosity crude oil and water. Femtosecond laser is able to change and control the chemical property and microstructure characteristic of material surfaces, so durable superhydrophobic or underwater superoleophobic micro/nanoscale structure as well as an array of through-micro/nanoholes can be easily formed on the material surfaces by femtosecond laser treatment. By using the as-prepared porous superwetting materials as the core component, the mixture of high-viscosity crude oil and water is effectively separated, assisted with the control of temperature. We will systematically investigate the influence rule of the femtosecond laser-induced porous superwetting microstructures on the separating mechanism, performance, and efficiency of oil/water mixture, and master the technology of separating high-viscosity oil/water mixture. This research aims at developing a new method of fabricating superwetting materials for oil/water separation by femtosecond laser, which will supply an effective route to solve the hard problem of separating the mixture of high-viscosity crude oil and water.

针对当前日益严峻的石油泄漏事故和工业含油废水排放导致的环境污染问题，本项目提出一种分离高黏度原油与水混合液的极端浸润性多孔材料的飞秒激光微纳加工新方法。拟通过飞秒激光调控材料的界面化学特性和微观结构特性，在材料表面上形成稳定的超疏水/水下超疏油微纳复合结构和微纳穿孔阵列结构。以所制备的极端浸润性多孔材料为核心部件，采用温度调控的方法实现对高黏度原油与水混合液的高效分离。通过系统探究飞秒激光诱导的极端表面浸润性微纳多孔结构对所实现油水分离机理、性能、效率等的深层次影响规律，掌握高黏度油水混合液的高效分离方法和原理。发展出一种飞秒激光制备极端浸润性油水分离材料的新方法，为解决高黏度原油与水混合液分离问题提供一种有效的途径。

随着全球能源需求的持续增长，石油泄漏事故频繁发生、工业含油废水大量被排放，导致严重的生态环境问题。本项目旨在发展一种分离油/水混合液的超疏水/水下超疏油微纳多孔材料的飞秒激光制造新方法。利用飞秒激光在材料表面诱导出不同微纳复合结构，在材料表面获得了超疏水或水下超疏油性等极端浸润特性。当将油水混合液倾倒在飞秒激光制备的水下超疏油金属网上时，水能够渗透过金属网，而油会被拦截在网之上，实现了高效的油水分离。分离效率高于98%。通过研究，掌握了飞秒激光诱导的微纳结构对材料表面浸润性以及油水分离性能的影响规律，发展出一种飞秒激光制备极端浸润性油水分离材料的新方法。更进一步，将基于极端浸润性的油/水分离过程扩展到分离其它类型的液/液混合物或液/气混合物。研究发现，飞秒激光作用后的金属、硅、玻璃等表面在水下对高粘度液体聚合物具有强烈的排斥性。液体聚合物在这些材料表面上的接触角大于150度，该性质被定义为“水下超疏聚合物性”。利用飞秒激光在不锈钢表面制备水下超疏聚合物微纳结构后，该金属网允许水穿过而会拦截聚合物液体。类似于油/水分离的过程，高粘度液体聚合物和水的混合物可以被多孔水下超疏聚合物膜有效分开，分离效率达到98.9%。结合水下超疏气和超亲气材料，我们提出了一种实现水/气分离的方法。水下多孔超疏气表面允许水通过而会拦截气泡。相反，水下多孔超亲气表面不允许水穿过，但气泡可以穿过该膜。因而可以利用水下超疏气和超亲气多孔材料收集液体中的有用气体或者去除液体中的有害气泡。水/气分离效率达到100%。与传统的分离材料和方法相比，基于润湿性的固/液/气分离技术拥有巨大的优势。本项目发展出来的基于飞秒激光诱导超浸润性的分离技术将会在化工制造、废水处理、环境保护、能源利用、石油生产和分离、矿物工业、生物细胞培养、医疗保健、农业育种、微型反应器技术、微流控等领域发挥重要的应用。