芳纶纳米纤维膜的润湿性调控及油水分离应用研究

摘要

油水分离是指采用一定的方法、工艺、设备实现油和水分离的过程。通常采用的方法有重力分离法、聚结法、热化学处理法、浮选法及生物法等，而这些方法存在能耗高、周期长的缺点，有的方法甚至引入二次污染物对环境有一定破坏。膜分离法作为一种高效、节能、对环境污染小的的技术正受到人们越来越多的重视。高效的油水分离膜需要具备高孔隙率以及适当的表面润湿性，一般来说疏水膜容易被油污染，亲水膜机械强度较差，而超疏水超亲油的界面膜由于其可以克服以上缺点正被人们广泛研究。
　　本论文旨在结合静电纺丝技术和原位聚合方法制备一种具有高孔隙率，同时具备超疏水超亲油性能的分离膜应用于油水分离。静电纺是一种有效制备纳米纤维的技术，由于制备的纳米纤维具有非常细的直径，使得膜的孔隙率高，同时由于其长度长，制得的纳米纤维膜呈现三维交织结构，孔的连通性好，易于液体在其中的传输。所以本文选择静电纺技术来制备间位芳纶(PMIA)分离膜。另一方面，通常超疏水超亲油界面构筑方法一是修饰低表面能的物质，二是在低表面能物质上再构造微纳米级的粗糙度。本文根据苯并噁嗪具有的分子灵活性，使用无溶剂法合成含氟的新型含氟苯并噁嗪单体(BAF-oda)，该单体可以在加热条件下开环聚合为具有超低表面能的含氟聚苯并噁嗪(FPBZ)，本研究中首先使用含氟苯并噁嗪修饰静电纺纳米纤维膜使其润湿性由超亲水转为疏水，之后使用疏水二氧化硅(SiO2)纳米颗粒在膜上构筑粗糙度，使其润湿性再由疏水转为超疏水，亲油转为超亲油。
　　本课题成功制备了超疏水超亲油的高效油水分离膜。研究中发现BAF-oda和纳米SiO2颗粒的添加量是影响纤维的表面润湿性的关键因素，当BAF-oda的含量为1wt％，纳米SiO2颗粒的添加量为2wt％时，经过表面修饰的间位芳纶纳米纤维膜与水的接触角达到161°，滚动角仅为2.6°，其亲油角也由未修饰前的23°转为0°;同时测试得到修饰后的膜的机械强度为40.8MPa，而在300℃下处理10min后膜的机械强度仍然有21MPa;该膜可以在350℃处理30min后，疏水角依然有143°，说明其有很好的耐热性，而且与荷叶相比，在80℃水处理下，荷叶失去疏水性，而该杂化复合膜依然表现出良好的疏水性;此外，复合膜具有良好的化学稳定性，在pH=2-12之间，依然为超疏水材料。最终的油水分离展示中，该复合膜仅在重力的作用下用30s时间分离了200g油水混合液（油水质量比1∶1），展示了其在分离领域广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 油水分离种类及其方法

1．1．1 油水分离种类

1．1．2 油水分离方法

1．2 油水分离膜简介

1．2．1 油水分离膜种类及特点

1．2．2 油水分离膜结构要求

1．3 静电纺纳米纤维膜在油水分离中应用

1．3．1 静电纺丝原理及工艺

1．3．2 静电纺纳米纤维膜结构特点

1．3．3 静电纺纳米纤维膜应用于油水分离现状

1．4 本课题研究内容

第二章：实验部分

2．1 引言

2．2 实验原料和实验设备

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．3 实验内容

2．3．1 静电纺制备PMIA／CNTs纳米纤维膜

2．3．2 无溶剂法合成氟化苯并噁嗪单体(BAF-oda)

2．3．3 BAF-oda修饰PMIA/CNTs纳米纤维膜

2．3．4 BAF-oda／SiO2修饰PMIA/CNTs纳米纤维膜

2．4 结构表征与性能测试

2．4．1 结构表征

2．4．2 性能测试

2．5 本章小结

第三章：BAF-oda修饰PMIA／CNTs复合纳米纤维膜及其结构性能研究

3．1 引言

3．2 BAF-oda合成单体表征及PMIA／CNTs纳米纤维膜中CNTs表征

3．2．1 BAF-oda合成单体表征

3．2．2 PMIA／CNTs纳米纤维膜中CNTs表征

3．3 结果与分析

3．3．1 复合纳米纤维膜形貌结果与分析

3．3．2 复合纳米纤维膜红外光谱结果与分析

3．3．3 复合纳米纤维膜润湿性结果与分析

3．3．4 复合纳米纤维膜机械性能结果与分析

3．4 本章小结

第四章：BAF-oda／SiO2修饰PMIA／CNTs杂化复合纳米纤维膜的性能及在油水分离中应用研究

4．1 前言

4．2 结果与分析

4．2．1 杂化复合纳米纤维膜的形貌结果与分析

4．2．2 杂化复合纳米纤维膜的表面粗糙度结果与分析

4．2．3 杂化复合纳米纤维膜比表面积及孔结构结果与分析

4．2．4 杂化复合纳米纤维膜的表面润湿性结果与分析

4．2．5 杂化复合纳米纤维膜的机械性能结果与分析

4．2．6 杂化复合纳米纤维膜的耐热性及耐热水性结果与分析

4．2．7 杂化复合纳米纤维膜的化学稳定性结果与分析

4．3 FPMIA-1／SNPs-2杂化复合纳米纤维膜在油水分离中的应用

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间取得的学术成果

致谢