Nano Select:超浸润分离技术-从油-水分离到水-聚合物分离和水-气分离

分离不同的物质(如液-液混合物、液-气混合物)不论在科学研究还是工程应用方面都有重要的意义。为实现分离目的,许多新型材料和技术被发展出来。在过去十年里,超浸润性被成功应用于油水分离领域。基于油和水不同的润湿行为,油水混合物可以通过超疏水或水下超疏油多孔材料有效分离。这些材料可以允许油通过而阻拦水通过,也可以允许水通过而阻拦油通过,从而实现油水分离。事实上,需要分离的混合物远远不止简单的油水混合物。例如,水中的液体聚合物和气泡也是难以处理的问题。最近,关于水下聚合物和气泡的极端润湿性也被发展出来,如水下超疏聚合物性和水下超疏气性。与水下超疏油表面的油排斥性相似,水下超疏聚合物材料在水中能够排斥液体聚合物,水下超疏气材料在水下能够排斥气泡。对比于超浸润材料在油水分离应用方面的巨大成功,也促使研究者产生这样一个想法:超浸润性是否也能够被用来从水中分离液体聚合物和微小气泡呢?

近日,西安交通大学陈烽教授课题组尝试拓展基于润湿性分离方法的应用范围,成功将油水分离的方法推广到分离液体聚合物和水的混合液以及从水中分离气泡。

利用飞秒激光处理,在不锈钢网表面上形成了微纳结构。激光诱导的表面微纳结构使得处理后的不锈钢网在空气中显示超亲水性。水可以完全润湿并且渗透过该网。研究发现,激光处理后的网在水下对油滴、液体聚合物、气泡都展现出了极强的排斥性。在水下,微小油滴、聚合物液滴、气泡在该金属网上的接触角分别为154.8º, 156.3º 和 153.7º。该网在水下拥有超疏油性、超疏聚合物性和超疏气性。水下超疏油、水下超疏聚合物以及水下超疏气性赋予了结构化的金属网油水分离、聚合物-水分离、水-气分离的能力。

图1 飞秒激光在不锈钢网表面上诱导的微纳结构以及所实现的超亲水性、水下超疏油性、水下超疏聚合物性以及水下超疏气性。

频繁发生的石油泄漏事故和工业含油废水排放不但造成了巨大的经济浪费而且严重污染了生态环境。基于激光处理后不锈钢网的超亲水性以及水下超疏油性,简单的油水分离装置被制作出来。将激光诱导的超浸润网作为分离膜,放置在无底的塑料瓶瓶盖处(有孔)。分离前,用少量水润湿金属网。当将油水混合液倒入分离设备中时,由于金属网的超亲水性,混合液中的水可以自由穿过金属网而滴落进下面放置的收集瓶中。相反,超疏油性使得金属网排斥并且拦截混合液中的油。油无法通过金属网,只能停留在金属网上面,从而油水混合液被成功分离。油水分离效率可以达到98.1%。

图2 基于结构化不锈钢网的超亲水性和水下超疏油性实现油水分离。

伴随着液体聚合物的广泛应用,泄漏到水中的液体聚合物导致了各种各样的聚合物污染。聚合物污染物通常具有高粘度低流动性的特点,并且特别易于粘附到固体表面上,因而难以从水中有效地去除掉。利用所制备的水下超疏聚合物金属网作为分离膜,可以实现液体聚合物和水的分离。当将液体聚合物和水的混合液倾倒在提前润湿的金属网上后,可以发现只有水快速地渗透过金属网,而液体聚合物被拦截在金属网之上。该金属网所拥有的分离水-聚合物能力来源于激光诱导微结构的超亲水性和水下超疏聚合物性。超疏水性允许水润湿并且渗透过金属网,而水下超疏聚合物性阻碍了聚合物穿过该金属网。水-聚合物分离效率达到了~98.9%。

图3 基于结构化不锈钢网的超亲水性和水下超疏聚合物性实现水-聚合物分离。

在一些情况下,水中的气泡会导致一些不利的影响。从液体中分离出气泡是一种解决气泡引起问题的有效途径。激光结构化金属网对水下气泡的排斥作用可被用来实现去除水中的气泡。将所制备金属网插入水管中,且垂直于水流方向放置。由于金属网的超亲水性,水流可以轻松穿过该网而继续向前流动。如果气泡出现在水流中,气泡会随着水流向前流动。一旦气泡到达金属网的前端,就会被该网拦截下来。由于金属网的水下超疏气性,所有的气泡都无法通过该过滤网。被拦截的气泡融合并汇集在金属网前端,通过水管上的小侧孔可以排出到水管之外。因此,气泡从水流中被成功地分离出去。分离过的水流中没有任何气泡,说明水-气分离效率接近100%。

图4 基于结构化不锈钢网的水下超疏气性从水流中分离气泡。

该文所报道的基于超浸润的分离策略可以潜在的应用于分离各种液-液混合物和液-气混合物。相信多样化的超浸润分离过程将在环境保护、能源利用、工业制造、农业生产等领域有广泛的应用。

相关工作发表在Nano Select上。西安交通大学陈烽教授为论文的通讯作者,雍佳乐副教授为论文的第一作者。

论文信息:

Superwettability‐based separation: From oil/water separation to polymer/water separation and bubble/water separation

Jiale Yong, Qing Yang, Jinglan Huo, Xun Hou, Feng Chen

Nano Select 

DOI: 10.1002/nano.202000246