阶层粗糙表面多孔纤维材料的制备和非筛分油水分离

This project aims to develop and study a new type of oil/water separation surfaces and there wetting behavior, in order to provide better solutions for oil polluted water treatment in oil field. Hierarchically structured surface will be constructed by nanoparticle self-assembly. With 3-dimentional porous supporting materials as the framework and organic low surface energy materials as the surface modifying agents, multi-scale micro-nano structured inorganic-organic composites will be fabricated. The special wetting behavior of the composite surfaces will be achieved through the control of nanoparticle size, micro-nano surface structure and surface modification. The wetting behavior of oil on the composite surfaces underwater will be also studied to find its correlation with oil-water separation. As a result, the material will be optimized to increase its ability to separate emulsified oil from water with high efficency. The project is of significance to help solve China's growing water scarcity and pollution problem. It is innovative because it takes advantages of the green, low-energy consuming coalescence separation for environmental protection, which is to be enhanced by the materiel’s special wetting property resulted from the hierarchically roughened micro-nano structure purposely designed.

本项目针对解决我国含油废水污染的油水分离问题，开展探索新型高效油水分离材料的制备及界面行为的研究。将以三维多孔纤维材料为骨架，在其表面可控组装纳米粒子构成阶层粗糙表面结构，协同有机低表面能物质修饰表面，制备多尺度纳微粗糙结构的三维多孔复合材料。通过调控纳米粒子粒径、纳微表面结构和表面修饰改性等途径实现表面的特殊浸润性，并进一步研究其在水下液-液-固界面的浸润行为和对非筛分油水分离的影响，进而优化材料结构，增强破乳性能，解决传统聚结材料对油水乳液分离效率低的问题。本项目的目标是实现绿色、高通量、高效率聚结分离材料的制备，研究这种新型纳米材料在环境保护领域的应用，对于解决我国日益严重的水资源缺乏和水污染的问题具有十分重要的意义。

近年来，工业、农业、运输业及生活排出了大量的含油污水难以处理，同时石油泄漏、海底天然溢油等问题越来越严重，导致水体中的油污染对人类和水生动植物的健康造成严重危害，本项目针对解决我国含油废水污染的油水分离问题，开展探索新型高效油水分离材料的制备及界面行为的研究。水体中的油污染根据粒径大小可分为悬浮油、分散油、乳化油和溶解油四种类型，其中乳化油最难分离，一般采用聚结分离方法进行处理，这种方法无二次污染、操作简便、设备成本低廉。聚结分离方法一般采用纤维过滤材料，它具有制备方法简单、使用灵活、效果优异等特点。然而传统的纤维聚结器具有床层高度大、堆叠床密度低等缺点。本项目以三维多孔纤维材料为骨架，在其表面可控组装纳米粒子构成阶层粗糙表面结构，协同有机低表面能物质修饰表面，制备多尺度纳微粗糙结构的三维多孔复合材料。将纤维通过湿法方式进行微纳米级修饰，方便调节孔径和厚度，可大大提高材料孔隙率，减小床层高度。通过调控纳米粒子粒径、纳微表面结构和表面修饰改性等途径实现表面的特殊浸润性，并进一步研究其在水下液-液-固界面的浸润行为和对非筛分油水分离的影响，进而优化材料结构，增强破乳性能，解决传统聚结材料对油水乳液分离效率低的问题。本项目实现了所有预期目标，制备出（1）利用层层自组装等表面修饰锈钢纤维网毡，油水乳液的分离效率为99.4%，通量可以达到22000 L/h/m2。并且只需要0.5mm厚的不锈钢纤维材料即可达到最大分离效率，大大降低了材料成本。（2）利用聚氨基树脂胶特殊的超声沉积修饰复合纤维，得到了粗糙化的高通量、高效率分离材料。并研究了放大实验条件下的聚结机理，提出了适合本研究的聚结理论。共发表论文6篇，其中SCI收录6篇；申请专利2项，授权1项。这些成果有望用于解决我国日益严重的水资源缺乏和水污染的问题。