三聚氰胺基仿生超疏水复合海绵的制备及其油水分离应用研究

摘要

近年来，海上溢油、化工有机污染物（油类）的泄漏等事件频频发生，对环境和生态系统造成了不可挽回的损害。含油污水的治理已成为全球性的严峻挑战之一，如何有效分离油水混合物是亟待解决的问题。吸附法因操作简单、成本低、无设备要求、无二次污染等优点，成为一种常用的油水分离方法，用于吸附的材料表面一般具备超疏水-超亲油性能。因此，超疏水界面材料的研究成为热点，目前方兴未艾，可根据油和水浸润性的差异，用以选择性油水分离。三聚氰胺海绵是一类三维立体结构的宏观高分子材料，具有超轻质量、高孔隙率、耐高温、耐酸碱、超弹性等优势，同时廉价易得、环境友好，可裁剪成任意大小和形状，又因表面含 N 元素，有利于原位生长或修饰改性，是一类理想的油水分离基体材料。无氟硅烷化修饰具有稳定性高、绿色环保、方法简单、条件温和等优点，常被用于表面疏水改性。 综上所述，本文以三聚氰胺海绵（MS）为基体，通过溶胶-凝胶法、自组装法等方法制备一系列高性能的仿生超疏水复合海绵（SMS），并应用于油水分离研究。详细工作如下： （1）以MS为基体，以乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）和十六烷基三甲氧基硅烷（C16TMS）为硅烷改性剂，通过两步溶胶-凝胶法在MS表面生长含有大量乙烯基和十六烷基的二氧化硅球形颗粒（ C16TMS/VSiO2 ） ，制备出三维C16TMS/VSiO2/仿生超疏水三聚氰胺复合海绵（C16TMS/VSiO2/MS）。考察了实验条件、参数对复合海绵的形貌和疏水性能的影响并确定了最佳条件。表征显现C16TMS/VSiO2与MS骨架可共同构建微纳米粗糙结构，同时赋予MS低表面能，复合海绵具备仿生超疏水性，静态水接触角（WCA）为153.2o。C16TMS/VSiO2/MS还表现出优异的抗压弹性（33.1 kPa）和自我恢复性能。C16TMS/VSiO2/MS实现选择性吸附水面浮油和水底油污，对二氯甲烷的吸附容量最大为 130 g/g，对其他油类均高于70 g/g。通过研究不同pH和盐浓度对C16TMS/VSiO2/MS的WCA和分离效率的影响，说明具有优异的抗酸碱盐性能。另外，复合海绵还具有良好的连续分离油水能力和循环使用性。 （2）以MS为基体，利用天然矿物凹凸棒土（ATP）催化VTES水解缩合在 MS 表面构筑 ATP-VSiO2复合物，随后经过 C16TMS 进一步修饰，制备出C16TMS/ATP-VSiO2/MS，并用于油水分离的应用研究。研究了制备顺序、实验参数对复合海绵的形貌和疏水性能的影响并确定了最佳制备方案。表征结果表明在MS表面成功负载了低表面能的棒状-球状复合粗糙物质C16TMS/ATP-VSiO2，复合海绵的WCA高达154.1o，并表现出良好的抗压弹性（32.8 kPa）与自我恢复能力。C16TMS/ATP-VSiO2/MS表现出高达121 g/g（二氯甲烷）的吸附容量、优异的重复利用和抗酸碱盐性能。另外，C16TMS/ATP-VSiO2/MS 在连续分离油水过程中，表现出良好的循环使用性。 （3）利用VTES含有硅氧基和乙烯基的特点，以VETS和二乙烯基苯（DVB）为聚合单体，采用溶剂热法同步缩聚和自由基共聚反应，在MS表面构筑P(VTES-DVB)-SiO2纳米疏水层，一步法制备出有机-无机杂化P(VTES-DVB)-SiO2/MS复合材料，并系统研究其油水分离性能。实验研究了VTES与DVB的比例、反应温度等条件对材料的WCA的影响，并确定最优条件。P(VTES-DVB)-SiO2/MS的水接触角达到157.3o，显示出超疏水性，且具有良好的抗压弹性（32.7 kPa）和自我恢复能力。吸附实验表明复合海绵具有较高的吸附能力，对不同的油类，吸附量范围为77-136 g/g，并表现出良好的循环利用性。在不同的酸碱盐条件下，复合海绵保持优异的超疏水性和分离效率，同时能够实现连续油水分离。本文为仿生超疏水材料的设计制备提供了新方法。

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