Page 113 - 《精细化工》2021年第10期
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第 10 期                  于丹凤，等: SiO 2 改性聚丙烯纤维棉对油水乳状液的高效分离                                ·2043·


                                                               在重力驱动下的高通量高效分离，并系统探究不同
                                                               表面结构及润湿性对不同形式乳状液分离机制，可
                                                               为发展与完善简单、高效、通用的油-水乳状液分离
                                                               材料的设计与研究提供理论依据与技术储备。

             光滑表面杨氏模型（a）、Wenzel 模型（b）、Cassie 模型（c）
                    图 1   不同固体表面润湿性模型示意图                       1   实验部分
            Fig. 1    Schematic diagram  wettability models of different
                   solid surface                               1.1   试剂与仪器
                                                                   PP 纤维棉，中国科学院化学研究所；亲水性
                 现有相关研究工作主要集中在将表面润湿与孔
                                                                                                        2
                                                               气相纳米 SiO 2 （粒径 12 nm，比表面积 200 m /g），
            径效应结合，通过构建适宜大小孔径结构（孔径尺
            寸<乳状液液滴粒径）的表面，实现油-水乳状液的                            赢创德固赛（中国）有限公司；疏水性气相纳米 SiO 2
                                                                                           2
            筛分及选择性透过         [11-12] 。疏水-亲油型表面主要用于             （粒径 20 nm，比表面积 180 m /g），江苏天行新材
                                                               料有限公司；表面活性剂 Span 80 和 Tween 80，化
            分离油包水（W/O）型乳状液，孔径调控多依赖于
                                                               学纯，上海麦克林生化科技有限公司；无水乙醇、
            聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）等多层微孔
                                                               正己烷、甲苯，分析纯，广州化学试剂厂；Evo-stik
            材料（孔径<10 μm）为基材，多选取聚合物微球、
            氟硅烷改性二氧化硅等修饰基材表面                  [13-14] 。对于亲     强力胶，波士胶（中国）粘合剂有限公司。
            水-水下疏油型油-水乳状液分离材料，目前报道最                                SDC-200 光学接触角测量仪（CA），东莞市晟鼎
            多的是将聚丙烯酰胺（PAM）、聚丙烯酸（PAA）、                          仪器有限公司；870KF 卡尔费休水分测定仪，瑞士
            聚两性离子等亲水聚合物            [15-16] 或 SiO 2 、TiO 2 、ZnO  万通中国有限公司；Sigma300 场发射扫描电子显微
            等亲水性无机矿物         [17-19] 通过浸涂、喷涂、层层组装              镜（FE-SEM，20 kV），德国卡尔·蔡司股份公司；
            及表面化学反应等手段修饰于微孔基材表面，实现                             BX51 光学显微镜，日本奥林巴斯株式会社；Zeta
            对水包油（O/W）型乳状液的分离。                                  ZS90 动态激光散射分析仪（DLS），英国马尔文仪
                 上述特殊润湿性多孔材料是通过孔径筛分来分                          器有限公司。
            离油-水乳状液的，要求孔径尺寸小于乳状液液滴的                            1.2   改性 PP 纤维棉的制备
            尺寸，孔径过大时，达不到对乳状液液滴筛分的效                                 首先，用无水乙醇和去离子水依次对 PP 纤维棉
            果。一般认为，油-水乳状液在通过这类材料时，连                            进行超声清洗 10 min，去除表面的污染物。将 1 g
            续相会透过去，而分散相被阻挡在材料表面，沉积                             Evo-stik 强力胶加入 50 g 乙醇中，超声分散 30 min，
            成滤饼态。也有研究人员提出，乳状液液滴进入多                             得到稀释的强力胶溶液。将不同质量的亲（疏）水
            孔结构的通道中，受到挤压、拉扯等作用导致乳状                             气相纳米 SiO 2 加入到无水乙醇中，超声分散 3 h，
            液液滴形变、破裂，分散相发生聚并形成大液滴，                             得到不同质量分数的亲（疏）水 SiO 2 乙醇分散液各
            达到油-水乳状液破乳分离的目的                [17-20] 。除了通过       100 g。然后，将清洗干净的 PP 纤维棉浸入稀释的
            孔径筛分来分离油-水乳状液外，研究者们也尝试构                            强力胶溶液中 10 min，随后挤出多余液体，在 80  ℃
            建大孔径（孔径尺寸>乳状液液滴粒径）基材来分离                            烘箱中烘烤 10 min，得到涂覆胶水的 PP 纤维棉。
            油-水乳状液。主要利用亲水性纳米颗粒修饰多孔材                            随后，将该 PP 纤维棉浸泡在上述亲（疏）水二氧
            料，来分离 W/O 乳状液，在分离过程中水相停留在                          化硅悬浮液中 10 min，取出后挤出多余悬浮液，在
            表面，而油相透过，推断其分离机制在于表面亲水                             80  ℃干燥 5 h，得亲（疏）水改性的 PP 纤维棉，备
            颗粒对分散相的吸引和捕捉，破乳后在多孔结构的                             用，制备过程如图 2 所示。
            表面聚并，而作为连续相的油相透过多孔结构                     [21-23] 。
                 尽管研究者们通过多种方式修饰不同基材，实
            现对油-水乳状液的分离，但现有研究工作存在制备
            流程繁琐、只能对单一形式乳状液进行分离、破乳
            和分离效率低等弊端，尤其对油-水乳状液的分离机
            理尚未形成规律性认识，如单纯依靠孔径筛分、表
            面破乳以及破乳兼筛分等机制与表面润湿及表面粗
            糙度之间的关系等。因此，本文通过简便易行的方
            法构建系列亲（疏）水 SiO 2 颗粒改性的 PP 纤维棉，                     图 2   亲（疏）水 SiO 2 改性 PP 纤维棉制备过程示意图
                                                               Fig. 2    Schematic illustration of preparation process of modified
            制备了超疏水超亲油型 PP 纤维棉和超亲水超亲油                                 PP cellucotton with hydrophilic (hydrophobic) SiO 2
            型 PP 纤维棉。同时，评价了不同形式油-水乳状液                                nanoparticles
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