超疏水材料在油水分离中的研究进展

葛崇志（安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南232000）

0 引言

石油作为当前主要的能源，在人类的生产和生活中有着重要的地位。在石油的开采和运输的过程中频繁发生事故，造成大量的水体污染从而引发了一系列的生态危机，如何高效地将油类污染物与水体进行分离已经成为世界级的挑战。研究人员从自然界某些植物表面的特殊浸润现象中得到启发，如荷叶表面的超疏水性，并尝试利用仿生超疏水分离材料进行油水分离，江雷课题组[1]首先进行了超疏水不锈钢材料网膜应用于油水分离的的研究。在目前的实际应用中有二维、三维两种类型的超疏水分离材料，本论文该角度出发对油水分离材料进行概述，首先对油水分离理论基础进行了阐述，其次概括了相应的代表性研究工作，最后总结了该领域存在的挑战并对其发展进行展望。

1 浸润理论基础

超疏水材料呈水疏油性质，因而油可以自由通过疏水/亲油膜，水则被阻挡在膜外，达到移除油的目的。CA(浸润角)是表征材料浸润性的重要手段，在光滑的固体表面可以通过杨氏方程来阐释固体、液体表面能与浸润角CA之间的关系：

式中:σLA为气-液间的界面张力；σSA为气-固间的界面张力；σSL为液-固间的界面张力,可知，当材料的表面能介于水和油的表面能之间时，可以同时具备疏水和亲油性。对于粗糙表面，经Wenzel，Cassie等人进一步修正后，分别得到Wenzel模型Cassie 模型，Wenzel 模型认为若表观接触角θR<90°,则θR随着表面粗糙度R增加而减小；若理想接触角θCA>90°,则θR随R的增大而增大，所以可以通过提高表面粗糙度得到超疏水分离材料。在Cassie 模型中：粗糙固体表面存在着沟壑，研究表明液滴并不能完全充斥沟壑，其中被空气所填充，此时固体表面表观接触角值的大小与材料表面的粗糙程度有关联。因此可以通过在具有低表面能物质的材料表面构造微纳米结构以制备超疏水分离材料。下文将从维数角度对超疏水油水分离材料进行概述。

2 二维网膜超疏水材料

金属网由于具有优良的机械性能而备受研究者的喜爱，一般地通过涂层在金属网表面构筑微纳米结构赋予其超疏水的特性用于油水分离，其重复使用率远高于相同功能的其他材料。Cai等[5]通过原位结晶法在原始不锈钢网上涂上沸石涂层，然后使用环保的十六烷基三甲氧基硅烷化合物（HDTMS）对其进行了改性。制备的涂层具有良好的自清洁、防污和防腐性能。此外，涂层的网膜能够在重力驱动下连续有效地分离不同类型的油水混合物，分离效率高达99.0%以上。

相对于金属网膜纺织材料更易于大规模的生产，并且也拥有着良好的机械性能，Fang 等[6]采用三乙氧基硅烷（MPTES）表面改性的方法制备了超疏水织物，首先用MPTES对织物进行改性，然后在波长为365nm的紫外光照射下，利用硫醇-烯之间的反应将烯封甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）修饰的SiO2@Fe3O4纳米粒子（MPS-SiO2@Fe3O4）固定在织物表面，结合原始织物固有的微纤维结构，在织物表面构建了层次化的微/纳米结构。最终，这种层次结构与疏水硅骨架和烷基固有的低表面能的结合赋予了织物优异的超疏水性（WCA=156°）。该织物具有超疏水性和多孔结构，具有较高的吸油量和渗透通量，可用于油水分离。此外，超疏水织物还具有优异的抗剥落、耐磨性和耐化学性，具有稳定的吸油性能和较高的油水分离效率。

3 三维多孔超疏水材料

相对于二维网膜材料，三维多孔材料拥有更高的吸油速率和储油能力。通过简单的挤压即可实现油品的回收利用，其原材料丰富多样，不乏环保的可降解材料以及植物纤维，在实际应用中显现更大的优越性。

可生物降解聚乳酸（PLA）是被广泛认可的环保材料。然而，PLA受到其低疏水性的限制而无法作为油水分离中大规模应用的理想材料。Wang 等[7]开发了一种简便的水辅助热冲击相分离方法，制备了性能优良的无外皮PLA泡沫。在实际应用中，水滴与泡沫表面接触时会迅速滚落，滚落角小于5°。，最大饱和吸附容量为31.5 g/g，泡沫可以吸收油的重量约为其自身重量的12-31倍，吸油后可通过离心回收被PLA泡沫吸附的不挥发油，通过这种方法除去吸附的油；对于挥发性有机溶剂，在吸附过程之后，可以通过加热泡沫使其蒸发以实现循环吸油。此外，它在连续的油水分离测试中显示出较高的采油效率（>98%）。聚合物乳化模板是一种有前景的制造多孔材料的技术，因为通过这种方式制备的材料具有灵活可控的性形状和厚度。Zhang 等[8]提出了一条利用石蜡油基乳液技术大规模合成多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）海绵的简便路线。用石蜡油将水乳化在PDMS 溶液中，可以形成稳定的乳液。所制备的PDMS海绵骨架仍完好无损，这种方法成本低、速度快、易于推广。所得PDMS 海绵的水接触角为141.9±1°，对各种有机溶剂的吸附容量为13.5～33.3g。此外，多孔PDMS 海绵具有良好的吸油性和可重复使用性，在水净化方面具有很大的应用价值。

4 结语

目前，超疏水油水分离材料的研究取得了一系列进展，但仍旧存在一些问题：①目前的分离材料应用的场景一般为不互溶油水，而关于分离乳化型油水混合物的研究鲜有报道。所以乳化型油水混合物中油水的分离也是未来研究应该关注的课题。②如技术复杂、生产成本过高等困难致使研究中表现出较好分离性能的材料被不容易规模化生产，很难用于解决实际问题，因此探索低成本、环境适应能力强的材料也就具有十分重要的现实意义。