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新加坡学者3D打印纤维素膜作为高效油水分离解决方案
《高分子科学前沿》微信公众号 / 时间:2019-04-19 13:04:03

  据高分子科学前沿微信公众平台2019年4月18日讯 近年来, 油水分离方案倍受科研人员的关注。油水分离方案可用于海上油污污染问题的治理,工业含油废水的处理以及化学工业产品的分离。其中,网格过滤系统由于其低廉的成本,便捷的操作以及高效的分离效率,成为了界面材料领域的研究热点。这种方案关键在于材料表面润湿性和微纳结构的合理搭配。通过表面化学和形貌的控制,可以实现超疏水或者超亲水的过滤网膜。然而,目前大多数研究都集中在金属网格的表面涂层研究。一旦涂层剥离或者表面粗超度下降,网膜会丧失高效分离功能。同时,分离网膜的抗油污性能也是可靠性的保证。大多数材料在被低表面能,高粘度的油相污染后很难再重新获得初始的亲水性,最终导致失效。
  针对上述存在的问题,新加坡国立大学Chaobin He课题组, Jun Ding课题组和新加坡制造技术研究院共同合作,先利用挤出式3D打印技术打印醋酸纤维素网膜, 再通过水解转换为无定形纤维素,制备出可用于高效油水分离的分离网膜(图1)。


新加坡学者3D打印纤维素膜作为高效油水分离解决方案

图1.3D打印过滤网膜的示意图


  如图2所示,通过挤出式3D打印技术可以很好地控制最终产品的形貌和孔径,从而获得不同形貌和孔径的分离网膜。通过控制孔径的大小,分离网膜的性能(流量和穿透压力)可以被很好地调控。此外,打印的分辨率限制还能通过打印不同的离网膜结构体来得以克服,从而更好地控制分离网膜的性能。


新加坡学者3D打印纤维素膜作为高效油水分离解决方案

图2.3D打印过滤网膜的形貌展示


  更重要的是,纤维素分离网膜表现出了优异的水下自清洁性能。实验表明,即使网膜在干燥状态下被高粘度的油相(如硅油:PDMS)污染,一旦和水接触,油相会自动脱离其表面,实现自清洁功能(图3)。这得益于无定形纤维素优异的亲水性以及强力的吸水性。它能在水下产生一定溶胀,同时保存一定的机械性能。


新加坡学者3D打印纤维素膜作为高效油水分离解决方案

图3.过滤网膜优异的水下自清洁性能展示


  图4详细地展示了纤维素网膜优异的化学稳定性以及对不同种类油的分离能力。它可以实现不同pH的水(1~14)和不同粘度油(1~91 cP)的高效分离。与之前研究不同的是,本文提出的方法并不依赖材料表面的微纳结构,而是利用了纤维素本身的强力亲水性能。该研究为用于油水分离的网格过滤系统提供了新的方案思路。


新加坡学者3D打印纤维素膜作为高效油水分离解决方案

图4.不同种类油和水的分离效率


  以上工作发表于ACS Appl. Mater. Interfaces。