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化工学院盖恒军、宋红兵团队在油水分离材料方面取得新进展
发布时间:2022-12-22    作者:黄婷婷      审核人:李金恒    点击:[]

含油污水的大量排放和海上原油泄漏事故的频繁发生严重威胁着生态环境和人类健康。如何快速高效的处理溢油和纯化含油污水已成为关系人民生活、经济发展与环境安全的重要课题。荷叶被研究为具有粗糙表面、超低表面能和超光滑微纳米分级结构的天然超疏水材料它们与荷叶的接触角超过150,赋予它们自清洁和高度防水性能。因为膜技术具有较高的分离效率和相对简单的操作,已在许多领域得到应用。

然而为了面对各类不同类型的油水混合物,乳化液以及真实的含油废水,需要更多的努力来创造新的功能材料和仿生材料、高效可回收材料和集成设备系统,以促进油水混合物的连续高效分离,从而获得清洁可再利用的水资源。迄今为止,新材料的合成工艺不可避免的在原材料昂贵与生产工艺繁琐之间难以抉择,并且大多数新型油水分离材料只能分离单类型的油水混合物。

化工学院盖恒军、宋红兵团队创新性的将离子液体与其他不同的辅助交联剂(苯胺,苯甲醇以及甲苯)进行反应,通过扩展网络中的长链共轭结构,所得超交联聚离子液体具有丰富的多孔结构、高稳定性、可重复使用性的新型功能材料。在之前工作中,实现了依据交联不同的辅助交联剂,成功制备出一系列不同功能化的超交联聚离子液体,能够分别实现不同类型的油水混合物。(相关工作发表在中科院工程技术一区TOP期刊Separation and Purification Technology,2022,285,120407. DOI: 10.1016/j.seppur.2021.120407以及获得授权专利ZL202110855270.0)。在此基础上,课题组又将超交联聚离子液体进行离子交换(BF4-1, PF6-1和TF2N-1),其中所获得的两种聚离子液体(HCPIL-PF6和HCPIL-TF2N)它们可以根据相应的溶剂变化在超亲水性和超亲油之间自由切换,适用于分离许多油水混合物,尤其对乳化油实现了智能分离。

作者首先通过三甲基硅基咪唑和苄基氯合成离子液体单体[Bbmim]Cl,将[Bbmim]Cl与NaBF4交换以获得[Bbmim]BF4。采用类似的方法获得[Bbmim]PF6和[Bbmim]TF2N。最后,使用[Bbmim]BF4/[Bbmm]PF6/[Bbmim]TF2N作为单体,通过Friedel-Crafts烷基化与不同的辅助交联剂交联,实现了多种不同湿润性材料(HCPIL-BF4/HCPIL-PF6/HCPIL-TF2N/HCPIL-Cl)的制备。并且根据接触角的测量等手段证明各类材料的对水、油分别体现出不同的亲和力,同时证明了材料的具有优异的循环稳定性。

此外研究了HCPIL-Cl、HCPIL-BF4、HCPIL-PF6和HCPIL-TF2N等超湿润材料在苛刻条件下仍具有极高的油水混合物分离效率。这一发现充分表明,这些材料具有良好的耐酸、耐碱和耐盐性以及研究了不同批次的HCPIL-TF2N材料上对甲苯和水的油水分离实验。在本条件也可实现各类湿润材料的连续分离与回收问题。使用后的超湿润材料经简单乙醇/水交替洗涤后,可重新进行连续化分离实验,并且所得到的分离效果与之前的分离效果大致相同,可以进行至少20次以上的循环实验。成功验证了四类超湿润材料具有极长的循环实验周期。

最后,作者通过探索分离水包油乳液,油包水乳液的分离过程,确定了HCPIL-TF2N材料具有最强的分离效果及其分离通量,对于含油乳液的分离效果都高达95%以上。

该工作成功实现了溶剂响应性的智能分离油水混合物,为油水分离材料的研究提供了一种新思路。该工作以研究论文的形式发表在中科院材料科学一区TOP期刊Applied Surface Science上。青岛科技大学化工学院研究生王佳强为论文第一作者,盖恒军教授和宋红兵教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(项目号21878164和21978143)的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.156007


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