一“网”无遗——金属网基亲水疏油材料的制备及其应用.pdf
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1、 Univ.Chem.2023,38(7),281288 281 收稿:2022-09-28;录用:2022-12-30;网络发表:2023-03-08*通讯作者,Email: 基金资助:安徽省教育厅高校自然科学重点研究项目(2022AH051954);安徽省教育厅教学研究项目(2020jyxm1766);安徽省质量工程项目(2020sjjd120);黄山学院校级重点科研项目(2022xkjzd001);安徽省教学示范课(2020sjj20);安徽教育厅省级教学研究团队(2020jxtd250)科普 doi:10.3866/PKU.DXHX202209079 一“网”无遗金属网基亲水疏油材料的
2、制备及其应用 一“网”无遗金属网基亲水疏油材料的制备及其应用 孙银宇,李长江*,柯仲成,沈彩云,尹紫寒,杨威 黄山学院化学化工学院,安徽 黄山 245041 摘要:摘要:液体在固体表面的接触角大小由液体表面张力、固体表面张力和固-液界面张力共同决定,是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数。本文以生活中常见的金属网为基底,将其制备成亲水疏油材料。常见的制备方法在科普推广中存在一定的局限性,因此本文创新性地进行制备方案的优化改进,制备得到的材料同样具有很好的亲水疏油特性,从而具有很好的科普性和可推广性。并且,本科普实验还针对不同人群,设计了丰富多彩的科普展示,从而提高大众对化学知识的认知,增强大
3、家的环保意识。关键词:关键词:润湿性;表面改性;油水分离;科普实验 中图分类号:中图分类号:G64;O6“Catch the Whole Lot in a Dragnet”:The Fabrication and Application of Hydrophilic and Oleophobic Materials Based on Metal Mesh Yinyu Sun,Changjiang Li*,Zhongcheng Ke,Caiyun Shen,Zihan Yin,Wei Yang School of Chemistry and Chemical Engineering,Huangs
4、han University,Huangshan 245041,Anhui Province,China.Abstract:The contact angle of liquid on the surface of solid materials is determined by the liquid surface tension,the solid surface tension,and the solid-liquid interface tension,which is an important parameter to measure the wettability of liqui
5、d on the surface of material.In this study,the metal mesh,a common material in daily life,is modified from hydrophilic and oleophylic to hydrophilic and oleophobic.The common preparation methods have certain limitations in popular science popularization,therefore,this paper innovatively optimized an
6、d improved the preparation scheme.The material prepared by a simple method shows good hydrophilic and oleophobic properties.Thus,this improved experiment has good scientific popularization.In addition,this popular science experiment also designed a variety of popular science exhibitions for differen
7、t people,so as to improve the publics cognition of chemical knowledge and enhance their environmental awareness.Key Words:Wettability;Surface modification;Oil-water separation;Experiment of popularization of science 1 引言引言 随着含油废水排放和原油泄漏等事件的频繁发生,高性能且低成本的油水分离材料制备已逐渐成为该领域的热点方向14。金属网基油水分离材料因具有分离效率高、成本低、
8、重复利用性好等特性而受到广泛关注5,6,其主要包括亲水疏油型和亲油疏水型7。目前,亲油疏水型金属网基油水分离材料的研究和应用最为广泛,然而该材料表现出以下不足。首先,亲油疏水材料在油水分离过程中,材料极易被油污沾染甚至堵塞,因此需要及时清洁以保证很好的分离速率;其次,由于大部分282 大 学 化 学 Vol.38油的密度比水小,不能利用重力驱动来进行油水分离,需外力辅助分离,工艺复杂;最后,该材料的分离界面易形成水层,对油的收集也造成了一定的阻碍8,9。综上所述,研究和开发一种金属网基亲水疏油材料能够有效克服以上问题,这将对水污染治理具有重要的意义。本科普实验全新设计出一种低成本、可重复利用和
9、处理速度快的不锈钢网基亲水疏油材料,为了增强该实验的科普性,将该实验室实验改进成简易实验,从而在实际的推广过程中具有更好的可实施性和趣味性。具体措施如下:以不锈钢网为基底,将实验室实验中的高温煅烧和水热反应进行优化,简化后的实验仅需通过简单的浸渍-燃烧法和溶液沉积法即可得到具有较优亲水疏油性能的金属网基油水分离材料;面对不同人群,本文提出了具有针对性的科普性实验。中小学学生能够从直观的实验现象中了解油水分离的过程和重要性,增强青少年对于科学知识的浓厚兴趣。本科生从实际应用出发,利用润湿性材料构筑原理制备得到具有不同性能的油水分离材料,从而激发学生对科学研究的探索精神。面对社会大众,通过自媒体平
10、台进行油水分离材料制备及其应用的宣传,以提高人们对环境保护和绿色化学的认知,提升公众科学素养。2 实验部分实验部分 2.1 实验原理实验原理 构造亲水疏油材料的两个关键因素是提高基底表面的粗糙结构和表面改性。本文基于杨氏方程10,提出的亲水疏油材料的设计原理如图1(a)所示。固体总自由能s是偶极氢键分量ds和弥散力分量的贡献ps之和11,其中0代表油固有接触角、w代表水本征接触角、0代表油表面张力、w代表水表面张力。该材料主要是通过增大ps降低水的接触角,以增加其亲水性;经过减小ds增加油的接触角,以增强表面疏油性能,最终通过二者的相互结合以实现亲水疏油材料的制备。其中s代表固体表面张力、sl
11、代表固-液表面张力、l代表液体表面张力。图图1 (a)亲水疏油材料的设计原理;亲水疏油材料的设计原理;(b)复合材料模拟油水分离过程复合材料模拟油水分离过程 在该复合材料的实际应用中,本文以金属网为基底,采用高温处理在其表面形成三氧化二铁团簇(Fe2O3-NCs),增加了基底表面的粗糙度和比表面积,这为疏油组分的负载奠定了基础,同时还增强了该材料的亲水性;其次,在处理后的金属网表面负载改性组分,以达到疏油组分的牢固负载;此时,该复合材料水分子可以自由通过,而油类物质被截留于材料表面,从而达到油水混合物的高效分离,如图1(b)所示。2.2 实验试剂及材料实验试剂及材料 不锈钢网(SSM,400目
12、)购自于淘宝网,氢氧化钠(NaOH,分析纯)、全氟辛酸(PFOA,化学纯)、双3-(三甲氧基硅烷基)丙基丁胺(BTMEPA,化学纯)、无水乙醇(分析纯)、乙酰丙酮铁(C15H21FeO6,化学纯)均购自于上海麦克林生化科技有限公司。No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202209079 2832.3 实验仪器与设备实验仪器与设备 电热鼓风干燥箱(GZX-9030 MBE,上海博讯实业有限公司医疗设备厂),管式炉(GSL-1700X,合肥科晶材料技术有限公司),水热反应釜(25 mL,秋佐科有限公司),接触角测量仪(KRUSS DSA100,德国KRUSS公司),能谱仪(X-Max
13、N 80,英国牛津公司),扫描电子显微镜(Gemini 500,德国蔡司公司)。2.4 实验步骤实验步骤 2.4.1 实验探索实验探索 2.4.1.1 实验室实验实验室实验(1)实验思路。通过高温煅烧在SSM表面形成均匀且致密的Fe2O3-NCs,不仅能增加其比表面积和粗糙度,而且还能有效提高亲水性,随后采用水热反应法将疏油组分负载于材料表面,从而制备得到亲水疏油材料。(2)实验过程。将洁净的SSM浸入0.28 molL1 C15H21FeO6的乙醇溶液中,放入管式炉中在500 C下煅烧1 h,得到高温煅烧后的SSM。将100 L BTMEPA加入到15 mL无水乙醇中,搅拌0.5 h,命名为
14、溶液A。取0.5 g PFOA和0.05 g NaOH放入15 mL无水乙醇中,与溶液A同时搅拌,命名为溶液B。将溶液A缓慢逐滴加入溶液B中,搅拌0.5 h得到混合液C。将高温煅烧后的SSM放入水热反应釜,并加入15 mL混合液C,密封后在80 C烘箱中反应1 h,取出用去离子水清洗后烘干,即得亲水疏油材料(Modified-SSM-1)。该制备流程如图2所示。图图2 Modified-SSM-1的制备流程的制备流程 2.4.1.2 简易实验简易实验(1)实验思路。由于实验室制法的操作过程条件较为苛刻,不利于该实验的科普推广,因此本文采用浸渍-燃烧法代替高温煅烧、溶液沉积法代替水热反应法,实验
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