仿生超亲水/超疏油型材料用于酸性、碱性和高盐环境下稳定油水分离的研究

With the increasing industrial oily waste water as well as the frequent oil spill accidents, oil/water separation has become an important field not only for scientific research, but for environmental, economic and social issues. In order to meet practical needs for separation in complex acidic/alkaline environment of industrial waste water and high-salt environment of seawater, it is of great significance to develop stable, efficient, practical materials for oil/water separation. Inspired by nature, we study the preparation and properties of superhydrophilic/superoleophobic materials for stable oil/water separation in acidic, alkaline and high salinity environment. Firstly, by selecting amphoteric hydrogels, which own good tolerance and stable performance for complex solution, we will construct the interface with bio-inspired micro/nanostructures to achieve stable superhydrophilic/superoleophobic surface. Secondly, based on the above study, we will develop high-strength, self-supporting materials for oil/water separation by introduce double network gels. Finally, we will develop and improve the mechanism of superwetting materials for oil/water separation, which would provide insight into the design of new separation materials for different needs. This project presents a new design idea to prepare oil/water separation materials with consideration of both excellent separation ability and environmental stability, which shows attractive potential applications in industrial oily waste water separation and oil spill cleanup.

随着工业含油废水的大量排放和原油泄漏事故的频繁发生，油水分离成为关系到人民生活、经济发展和环境安全的重要研究领域。为了应对工业废水复杂的酸碱环境和海水的高盐环境，开发稳定、高效、实用的油水分离材料具有重要的研究意义。本项目从仿生设计理念出发，以提高材料环境稳定性与实际应用性为切入点，探索在酸性、碱性和高盐环境下可以稳定使用的超亲水/超疏油型油水分离材料。首先，选用对复杂溶液耐性优良的两性水凝胶材料，通过微/纳米层次的仿生结构设计制备具有稳定超亲水/超疏油性质的表面；进一步，利用以上体系构造双互穿网络，制备具有高强度、自支撑的油水分离材料；在以上研究基础上，加深对超浸润表面用于油水分离机理的探讨，从而进一步指导和优化分离材料的设计与制备。本项目选题围绕民生、环境等国家重点关注领域，针对原油泄漏及工业废水处理等突出环境问题，提出切实可行的油水分离材料设计新方法，具有重要的科学意义和应用前景。

随着含油污水污染的日益严重，对油水分离材料的开发已经成为世界范围的研究热点。为了应对工业废水和海上溢油污水复杂的组成，本项目通过高强度结构设计和材料化学组分设计两种途径开展工作，制备了在复杂环境下可以稳定使用的超浸润油水分离材料。首先采用双互穿、三互穿和粘土复合的方法制备了高强度自支撑的油水分离多孔膜。这类材料不依赖与多孔基底，从本质上解决了传统复合型超浸润油水过滤材料所存在的涂层脱落、基底腐蚀等问题，大大提升了在复杂溶液环境中的稳定性。接下来我们从化学组分设计的角度出发，向材料中引入功能性组分，探索适用于复杂环境的多功能油水分离材料。受到海带在海水中具有稳定的超疏油性质的启发，我们采用海带的主要成分海藻酸钠结合具有广谱抗菌性的银纳米粒子制备了在高盐度环境下可以稳定使用且具有优异抗菌性的海藻酸钙/Ag米粒子油水分离膜。并将功能化树状大分子引入双互穿水凝胶材料体系，制备了可以吸收重金属离子的多功能油水分离膜。将具有优良耐磨性能的尼龙引入材料设计，通过简单的一步熔融法制备了尼龙/疏水二氧化硅纳米粒子玻璃纤维膜，在高效油水分离的基础上具有优异的耐磨性能。在以上研究的基础上，我们对特殊浸润性与孔径筛分机制的协同作用机理与气体对油/水/固三相界面影响的机理进行了深入研究，并以此为指导，进一步优化材料的设计和制备。本项目的研究成果对提升油水分离材料的实际应用性具有重要意义，同时为设计制备新型多功能化油水分离材料提供了新的方法和研究视角。