基于可见光响应性碳织物/过渡金属掺杂TiO2仿生自清洁材料的构筑及油水分离性能研究

Plenty of sewage and wastewater contained oil will not only seriously pollute the water resources, but also cause the huge economic losses. Therefore, it is of great significance to carry out the research of oil and water separation materials. The purpose of this study is to focus on regulation of fluid enrichment/separation technology, selective fluid transfer technology and bionic concept for fabricating visible light responsive oil-water separation material with flexible carbon fabric as substrate and the transition metal-doped TiO2 as building unit. The straight-flow and high flux type of oil-water separation can be achieved owing to special wettability and large aperture of carbon fabric/ transition metal-doped TiO2 composite material. Importantly, it also has the excellent acid and alkali resistance, solvent resistance and thermal stability. The physicochemical properties of the carbon fabric/transition metal-doped TiO2 biomimetic self-cleaning materials will be characterized by advanced characterization techniques. The influence of physicochemical properties on the visible light response wettability and the oil-water separation efficiency properties will be also systematically researched. This subject will develop a universal, simple preparation method of oil/water separation material, which lay a solid theoretical basis and provide the appropriate architecture for oil-water separation material with practical application value.

大量的含油污水进入水环境不仅会严重污染水体资源，而且还会造成巨大的经济损失。因此，开展油水分离材料的研究课题具有重大意义。本课题旨在集中调控流体富集/分离技术、选择性流体转移技术及仿生理念，以柔性碳织物为基体，以过渡金属掺杂TiO2为构筑单元，构建可见光响应性油水分离材料。利用光诱导柔性碳织物/过渡金属掺杂TiO2材料超亲水/水下超疏油性及大孔径特点可实现对油水混合物的直流式、大通量分离，同时具有优异的耐酸碱、抗溶剂及耐热稳定性。运用先进的表征手段，阐述制得的碳织物/过渡金属掺杂TiO2仿生自清洁材料的物理、化学特性，系统研究体系性质对可见光响应浸润性的影响规律以及对油水分离效率的影响规律；发展一种通用性强、简单的油水分离材料制备方法，为开发具有实际应用价值的油水分离材料奠定坚实的理论基础和提供合适的结构体系。

工业生产、日常生活以及突发性漏油事件产生的含油污水造成严重的生态环境问题，严重威胁了自然界许多物种和食物链，从低级的藻类到高级的哺乳动物甚至包括人类。油污染已成为一个世界性难题，而如何解决并有效地处理含油污水是一项艰巨而紧迫的挑战。.本项目以柔性碳织物为基体、过渡金属掺杂TiO2为构筑单元，构建了可见光响应性油水分离材料。利用光诱导柔性碳织物/过渡金属掺杂TiO2材料超亲水/水下超疏油性及大孔径特点实现了对多种油水混合物的直流式、大通量分离，同时该膜具有优异的耐酸碱、抗磨损及稳定性。通过对多种过渡金属（Cu、Mn、Co等）掺杂TiO2基油水分离材料体系的构建和研究，发现了掺杂元素浓度、种类及掺杂方式对材料体系的性能有很大的影响，分析了体系性质对可见光响应浸润性和油水分离效率的影响规律，得到了可见光响应油水分离过程内在物理机制及动力学规律。其中，CC@TiO2-Cu2.5@Ag0.3膜的疏油角最高为156°，对不同黏度油的分离效率均在99.3%以上；CC@TiO2-3%Mn、CC@TiO2-6%Co、CC@TiO2-5%Fe在各自体系中性能最佳，Mn掺杂膜在60次循环测试后其分离效率为98%；共掺杂相比单掺杂更能提升TiO2膜的油水分离性能，Mn、Fe共掺杂膜的接触角达161°，分离效率达99.76%，在可见光驱动下，60次循环分离后仍能保持99%以上的分离效率，对该膜进行弯折和耐磨测试后发现其分离效率仍在98%以上；可见光驱动CF负载的Co掺杂TiO2复合膜对多种油水混合物的分离效率达到了99.8%，通量高达25089 L·m-2·h -1，膜多次污染经可见光照射1 h后可恢复性能，展现了卓越的可见光驱动抗污性能和再生性能。另外，以不同织物为基底、TiO2及其它材料为构筑单元也合成了其他自清洁油水分离材料，探讨了其油水分离性能，拓宽了材料的实际应用。该研究发展了一种通用性强、简单的油水分离材料制备方法，为开发具有实际应用价值的油水分离材料奠定了坚实的理论基础并提供了合适的结构体系。