漆酚与Fe3O4协同超疏水改性三聚氰胺海绵用于高效油水分离

曹亚飞, 崔晨乙, 郭昌祥, 齐宝金, 陈 飞

漆酚与Fe3O4协同超疏水改性三聚氰胺海绵用于高效油水分离

曹亚飞, 崔晨乙, 郭昌祥, 齐宝金, 陈 飞

(西安交通大学 化学工程与技术学院, 陕西 西安 710049)

含油污水对生态环境造成了极大破坏，油水分离已成为亟待解决的环保难题。为了解决油水分离问题，通过简单浸涂法将纳米Fe3O4和漆酚协同修饰于两亲性三聚氰胺海绵(MS)表面，改性所得漆酚-Fe3O4-漆酚三聚氰胺海绵(UFeU-MS)材料实现了海绵基底从超亲水-超亲油到超疏水-超亲油的转换。由于漆酚含有邻苯二酚基团与15～17碳长烷基链，一方面使用一定浓度漆酚将Fe3O4与海绵进行黏附；另一方面借助长烷基链降低海绵表面能。通过对UFeU-MS进行表征分析验证，其表面水接触角高达160.9°±1.8°，满足超疏水-超亲油的要求；吸收有机溶剂和油类物质的质量大于其自身的21倍，10次吸附-解吸循环分离效率可以保持在97.77%；经不同pH溶液浸泡水接触角可以保持在147°以上，也适应于酸碱环境的油水分离。饱和吸附后的海绵既可经过简单的物理挤压回收溶剂，也可通过外加磁场远程回收。

超疏水；表面改性；油水分离；三聚氰胺海绵

1 前 言

石油泄漏[1]以及工业生产中产生的大量含油废水流入河流、湖泊，给生态带来了极大的破坏，因此含油废水的有效处理成为了亟须解决的难题[2]。目前频繁使用的包括重力驱动分离[3]、原位焚烧[4]、机械收集[5]、化学分解[6]、吸附[7]以及生物降解[8]等在内的多种油水分离方法都存在着分离效率低、可重复使用性差、对环境造成二次污染以及成本较高等缺点。相比之下，物理吸附是目前重复利用率较高、环境二次污染较小的一种分离方法。现有研究表明，聚合物基三维多孔材料，如海绵[9-11]、泡沫[12]和气凝胶[13]等，具备优异物理吸附性能。以三聚氰胺、聚氨酯为代表的低成本海绵具有高孔隙率、低密度、高吸附量等特点[14-16]，已广泛应用于工业生产中。对此类海绵进行疏水改性，以物理吸附的方式进行油水分离不会对环境造成二次污染，并且通过简单挤压还可以回收有机溶剂。

三聚氰胺海绵(melamine sponge，MS)表面具有大量氨基，是一种两亲性海绵，改性前不能有效进行油水选择。但也为化学接枝提供良好平台。一般通过纳米材料修饰、表面酸化等方式加大粗糙度或者通过降低表面能即可实现海绵疏水界面的构建。Shi等[17]采用MS做基底，通过单宁酸诱导SiO2和Ag+共组装，在表面形成Ag分级纳米结构，全氟十二烷基硫醇进一步氟化后即可完成“荷叶”状超疏水界面构筑，其接触角可达154.6°。上述改性方式引入氟化物作为降低表面能的改性剂，一定程度上对环境造成了二次污染。Ma等[18]采用聚多巴胺Polydopamine (PDA)/Fe3O4纳米颗粒对商品海绵进行超疏水改性，制备了具有磁性的三维多孔超疏水海绵，呈现出很好的油水选择性，并且可以通过磁场改变精准控制海绵运动。但其制备过程复杂，合成环境要求苛刻，并且PDA价格昂贵，不利于实现大规模生产使用。Fang等[19]采用简单浸涂方法在MS表面浸涂漆酚，高温固化后形成高疏水表面，接触角达到139°。但仅依靠单酚类物质对材料的疏水改性结果未能实现超疏水。

为实现三聚氰胺海绵低成本、高效率超疏水改性，本研究采用漆酚作为降低表面能的改性物，替代常用的氟硅烷或者氯硅烷。生漆中漆酚质量分数高达50%～80%，且漆酚本身具有邻苯二酚基团和15～17碳脂肪族长链[20]，是一种聚多巴胺衍生物，一定浓度下可以起到很好的黏附作用，用漆酚代替聚多巴胺，实验过程简单，成本低。选择纳米Fe3O4作为增大表面粗糙度的无机纳米颗粒，其本身具有磁性，可以通过外加磁场对海绵加以控制，这为海绵的远程回收利用提供了基础。通过以上3步浸涂法成功制备超疏水磁性海绵，具有很好的油水分离应用前景，为环保地进行油水分离提供新思路。

2 实验材料和方法

2.1 漆酚-Fe3O4-漆酚改性海绵的制备

漆酚在生漆中质量分数为50%～80%，实际提取中漆酚的纯度可以达到98%，各组分摩尔分数B见图1。漆酚-Fe3O4-漆酚改性海绵的制备实验采用浸涂法制备超疏水磁性海绵，制备流程如图2。将生漆与无水乙醇按质量比1:1.5～2混合，在800 r×min-1下搅拌24 h，抽滤4次，滤液通过旋转蒸发仪60 ℃旋蒸进一步纯化[21]，得到棕褐色黏稠液体，即为漆酚。

图1 漆酚各组分及摩尔分数[22]

以无水乙醇为溶剂，配制质量分数为1%～5% 的漆酚溶液，通过摇床30 s进行分散，得到混合均匀的漆酚溶液，将三聚氰胺海绵放入漆酚溶液中浸渍取出，80 ℃干燥7～8 h，得到具有黏附性的三聚氰胺海绵。实验采用水热法[23]制备Nano-Fe3O4。将FeCl3∙6H2O与C6H5Na3O7按物质的量比40:1在40 mL乙二醇中共混3 h，加入无水乙酸钠，其中，FeCl3∙6H2O与CH3COONa物质的量比为1:4.5，搅拌6 h，200 ℃反应12 h，抽滤，用去离子水与乙醇交替洗涤，60 ℃干燥12 h，得到纳米级Fe3O4。使用自制以及直接购入的Fe3O4，将Fe3O4与去离子水按质量比20:1混合，超声分散，得到纳米Fe3O4分散液，待用。三聚氰胺海绵在Fe3O4分散液中浸渍，65～80 ℃烘干至完全干燥。再将海绵放入漆酚溶液中浸渍取出，80 ℃干燥10 h，得到超疏水磁性油水分离海绵。

图2 漆酚-Fe3O4-漆酚改性海绵的制备流程

2.2 表征与性能测定

使用中国蔡司公司GeminiSEM 500型场发射扫描电子显微镜观察MS和漆酚-Fe3O4-漆酚三聚氰胺海绵(UFeU-MS)的表面微观结构。用中国赛默飞世尔公司Nicolet iS50型FT-IR光谱仪分析MS和UFeU-MS的特征官能团结构。表面润湿性在25 ℃下使用德国KURUSS公司DSA100型光学接触角测量仪测量样品水接触角；使用中国梅特勒-托利多(香港)控股有限公司METTLER TOLEDO TGA/DSC3型同步热分析仪分析热稳定性，通入气氛为氮气，升温速率为10 ℃×min-1。使用日本岛津制造所XRD-6100型X射线衍射仪获得UFeU-MS的X射线衍射(XRD)图案。压缩测试在中国珠海市三思泰捷电气设备有限公司CMT1503型电子万能试验机上进行，压缩释放速度为50 mm×min-1。利用UFeU-MS吸附各种油类以及有机溶剂，定量分析其分离能力。使用的有机溶剂及油类包括甲苯、三氯甲烷、环己烷、正己烷、煤油、柴油及植物油。将海绵浸入油水混合物后，一定时间后取出称重，测量UFeU-MS吸油能力。计算吸附能力如式(1)：

式中：initial为UFeU-MS吸收前质量，g；saturation为UFeU-MS吸收后质量，g。吸收实验至少进行3次。

3 结果与讨论

3.1 海绵形貌分析

通过扫描电镜对MS和UFeU-MS样品表面微观结构进行探究。由图3(a)、(b)可知MS呈三维立体网状结构，十分光洁，没有任何粗糙结构，并且具有丰富的开孔，孔径在100～200 μm，为海绵的改性提供了很好的平台。改性过后的UFeU-MS如图3(c)、(d)、(e)表面均匀地包覆一层类似于“玉米棒”状粗糙结构，很大程度上增加了海绵表面的粗糙度，这更加有利于空气贮存在纳米空隙中。同时，二次涂覆漆酚使粗糙结构表面形成了一层致密的膜状结构，这都归因于漆酚在中高温环境下会出现自聚合现象[24]。

漆酚会在氧气和漆酶作用下形成醌自由基，自由基转移发生聚合。当漆酚单体质量分数小于30% 时，侧链开始发生自氧化反应。侧链上的双键自氧化产生烯丙基自由基或双键上的自由基转移，从而得到稳定的自由基位。自由基与氧反应形成过氧自由基，当过氧自由基与其他双键或其他侧链上的烯丙基自由基结合时，就会发生交联反应[22]。但漆酚中的酚羟基会起到一定的抗氧化作用，尽管发生一定程度自氧化自聚合，多聚体外侧依旧具备大量的饱和及不饱和长烷基链为海绵表面提供较低的表面能。通过控制漆酚质量分数确保纳米结构不被遮盖。根据Wenzel[25]和Cassie-Boxter[26]模型，真实的表面润湿性是表面能和表面结构的协同作用。Fe3O4提供的纳米级粗糙结构以及漆酚提供的低表面能协同改性海绵使其形成了超疏水界面。

图3 原始MS和UFeU-MS-3的SEM图像

3.2 海绵化学成分分析

通过傅里叶红外光谱仪对MS、U-MS、UFeU-MS样品表面官能团进行探究，结果如图4(a)所示。MS本身各特征吸收峰归属如下：3 650～3 121 cm-1是由于三聚氰胺的仲胺键N─H与漆酚中的酚羟基O─H形成分子间氢键以及漆酚酚羟基形成分子间氢键导致UFeU-MS的吸收峰变强而宽；和MS相比，U-MS 以及UFeU-MS在3 015 cm-1为─C═C─碳碳双键的伸缩振动(漆酚的长烷基链)[27]；同时U-MS和UFeU-MS在2 920和2 852 cm-1处出现了2个新峰，分别为─CH2不对称伸缩振动和对称伸缩振动[28]；1 455 cm-1处特征峰为苯环骨架振动；1 270 cm-1处为漆酚自由基加成反应形成C─O键伸缩振动，在有氧条件下，漆酚侧链双键能与氧反应形成氢过氧化物，生成非酶促自由基引发自氧化反应[29]；809 cm-1处的强峰归因于三聚氰胺海绵基底中的三嗪环；722 cm-1处为─(CH2)─(>4)的面外变形振动，说明漆酚长烷基侧链的存在；以上表明Fe3O4表面上成功包覆漆酚。

图4 MS和UFeU-MS化学成分分析

为进一步验证Fe3O4的成功合成及涂覆，通过XRD分析UFeU-MS样品的晶体结构。结果如图4(b)所示，衍射峰在29.9°、35.4°、43.0°、53.4°、56.9°、62.5°和磁性Fe3O4(JCPDS Card No19-0629)晶型(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)分别对应，说明磁性的纳米Fe3O4粒子成功涂覆到UFeU-MS表面。改性前后海绵的热重分析曲线如图4(c)。对于MS来说，从初始温度到100 ℃约有8% 的失重，此过程主要是其本身含有水分蒸发以及亲水氨基的缓慢消失造成的质量损失；第二阶段失重出现在360～400 ℃，失重很快，约有28%，归因于亚甲基键(HN─CH2─NH)的断裂损失[30]；在400～800 ℃的47% 失重是由于三嗪环等大分子物质的分解[31]。UFeU-MS修饰海绵第一阶段失重明显小于MS损失(5%)，归因为MS本身亲水但UFeU-MS对水的吸收降低，漆酚的酚羟基自聚合，360～480 ℃只有8% 的失重，最终约20% 质量剩余为Fe3O4纳米粒子；这些结果表明UFeU-MS的热稳定性保持良好。也就是说，UFeU-MS在小于360 ℃的温度下稳定。

3.3 表面润湿性分析

为直观比较MS和UFeU-MS的润湿性，如图5(a)将2种海绵同时放入水中，MS被迅速润湿并且由于重力作用迅速沉入水底，而UFeU-MS由于疏水可以成功漂浮在水面不被润湿，当施加外力强制其沉入水下，其表面的粗糙结构储存了丰富的空气，因此在其表面形成一层空气层，隔绝水分，出现了“类银镜”现象(图5(b))。此外，将正己烷和水分别用油红和亚甲基蓝染色滴加到MS和UFeU-MS表面时，正己烷和水都被MS迅速吸收；滴加到UFeU-MS表面时，只有正己烷被吸收，水在其表面保持完整球形(图5(c)、(d))。

图5 MS和UFeU-MS润湿性比较

为定量计算润湿性，向MS和UFeU-MS表面滴加2 μL的液滴，并记录水接触角(water contact angle，WCA)，在UFeU-MS表面随机选取4个不同位置测量WCA，取平均值。将2 μL水滴到样品表面，待液滴稳定后，记录液滴的图像，并利用OCA25型视频光学接触角测试仪拟合计算液滴的水接触角。根据图5(e)原始MS水接触角为0°，油接触角也为0°，是一种双亲海绵。单纯经过漆酚修饰的海绵在其质量分数为1%、2%、3%、4%、5% 时接触角分别为136.0°、134.5°、150.6°、140.5°、134.0°；而质量分数为1%、2%、3%、4%、5% 的漆酚协同Fe3O4修饰的海绵接触角分别为(143±1.4)°、(149±1.5)°、(160.9±1.8)°、(147±1.4)°、(142±1.2)°(图5(f)，(g)，(h)分别为漆酚1%、3%、5% 修饰海绵的WCA图像)。以上结果表明，随着漆酚质量分数的升高，UFeU-MS的接触角在逐渐增大，在质量分数为3% 时达到最大；再继续增大漆酚质量分数接触角呈现下降趋势，原因在于漆酚质量分数过高会将粗糙结构完全覆盖，导致粗糙度下降，使得其疏水性降低。当漆酚质量分数为3% 时，海绵的疏水性最好，因此选取UFeU-MS-3为例定量测评UFeU-MS的机械性能和吸油能力。而且在有外加磁场的情况下，UFeU-MS海绵可以通过磁场的控制进行定向移动(图5(i)、(j))。

图6 UFeU-MS-3在不同pH水溶液中浸泡24 h后的水接触角变化

3.4 化学稳定性与机械稳定性分析

将UFeU-MS浸在pH值为1～12的水溶液中24 h，去离子水清洗干燥后测量接触角，以此来评价其化学稳定性——耐酸碱性。根据图6可知，UFeU-MS有良好的耐酸性，在经过pH=1的盐酸溶液浸泡后接触角可以达到156°；但经过pH=12的NaOH溶液浸泡后接触角基本稳定在147°，改性后的海绵有较好的化学稳定性。

机械稳定性对于UFeU-MS在油水分离的实际应用是十分重要的。改性后的海绵骨架结构保持原貌，并且涂覆了无机纳米粒子，仍具有良好的机械性能。图7(a)、(b)所示MS在应变为20%、40% 和60% 的压缩应力-应变曲线，在承受各种应变时，没有明显的机械损失。同时，在60% 的应变下进行1、25、50、75和100次循环时分别有3%、5.27%、6.0%、6.4% 和6.9% 的轻微塑性形变。以上表明空白MS拥有稳定的机械性能。由图7(c)、(d)可见，UFeU-MS-3在20%、40% 和60% 的压缩应变下分别有2.0%、3.8% 和6.1% 的塑性形变，基本可以保持原有形态。并且在60% 的应变下进行1、25、50、75和100次循环时分别有3.4%、7.5%、8.4%、9.1% 和9.5% 微小塑性形变，其应力-应变曲线表现出非线性和闭合的滞后现象，是优良的高度可形变材料。以上证明了UFeU-MS具有鲁棒性和优良的机械性能，有利于机械挤压回收各类有机溶剂。

图7 MS和UFeU-MS压缩-应变

3.5 吸附性能分析

UFeU-MS对不同种类的油或有机物有着良好的吸附能力并且可以在短时间内实现快速吸附。图8(a)表明UFeU-MS对甲苯、煤油、环己烷、柴油、植物油、三氯甲烷的饱和吸附量分别为13.1，11.9，13，10.4，13.4，11.7，21.6 g×g-1，均可以达到自身质量10倍以上的吸附量。如图8(b)，UFeU-MS良好的机械性能保证其循环使用的特性，通过压缩的方式回收吸附的油类及有机物等，经过10次循环吸附，对正己烷的分离效率仍达到97.77%。良好的吸附能力归因于UFeU-MS的粗糙表面以及漆酚提供的低表面能，海绵具有的丰富的开孔结构为油类提供了极大的储存空间。

3.6 在油水分离中的应用

为研究UFeU-MS对水和油的选择性吸附能力，选择三氯甲烷作为重油吸附模型，UFeU-MS实现对水/氯仿混合溶液中氯仿的快速选择性吸附。为了检验UFeU-MS在油水分离中的实际应用能力，以UFeU-MS为过滤材质，通过真空抽滤的连续作业方式模拟了油水分离过程，以水/正己烷为吸附模型，正己烷被完全吸收后，没有水被抽取到抽滤瓶中，UFeU-MS表现出良好的油/水分离能力，50 mL正己烷与50 mL水形成的油水混合物可以在16 s内完全分离，正己烷的分离通量[32]为1.27´106L×m-3×h-1。

图8 UFeU-MS-3的吸附性能

4 结 论

本研究通过简易浸渍法对三聚氰胺海绵进行修饰，利用类聚多巴胺物质漆酚作为黏附剂将磁性纳米Fe3O4涂覆到海绵上，再通过二次浸涂漆酚降低表面能，制备出超疏水磁性油水分离材料UFeU-MS，其水接触角可以达到(160.9±1.8)o。UFeU-MS因其超疏水-超亲油特性对油水具有很好的选择分离性，能够短时间吸附各种油类以及有机物，同时具有优良的物理化学稳定性，经过100次压缩循环后仅有9.5% 的应变损失，经过10次吸油循环后分离效率仍可达到97.77%，在外接泵类的状况下可以实现连续油水分离，对正己烷连续分离通量可达1.27´106L×m-3×h-1。综上所述，UFeU-MS在实际油水分离应用中具有很大潜力。

[1] PENG Y B, GUO Z G. Recent advances in biomimetic thin membranes applied in emulsified oil/water separation [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4(41): 15749-15770.

[2] SHANNON M A, BOHN P W, ELIMELECH M,. Science and technology for water purification in the coming decades [J]. Nature, 2008, 452(7185): 301-310.

[3] KWON G, KOTA A K, LI Y,. On-demand separation of oil-water mixtures [J]. Advanced Materials, 2012, 24(27): 3666-3671.

[4] ZENGEL S A, MICHEL J, DAHLIN J A. Environmental effects of in situ burning of oil spills in inland and upland habitats [J]. Spill Science & Technology Bulletin, 2003, 8(4): 373-377.

[5] BROJE V, KELLER A A. Improved mechanical oil spill recovery using an optimized geometry for the skimmer surface [J]. Environmental Science & Technology, 2006, 40(24): 7914-7918.

[6] CHEN G H. Electrochemical technologies in wastewater treatment [J]. Separation and Purification Technology, 2004, 38(1): 11-41.

[7] BAYAT A, AGHAMIRI S F, MOHEB A,. Oil spill clean up from sea water by sorbent materials [J]. Chemical Engineering & Technology, 2005, 28(12): 1525-1528.

[8] RIVAS F J, GIMENO O, PORTELA J R,. Supercritical water oxidation of olive oil mill wastewater [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(16): 3670-3674.

[9] PHAM V H, DICKERSON J H. Superhydrophobic silanized melamine sponges as high efficiency oil absorbent materials [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(16): 14181-14188.

[10] CHUNG C H, LIU W C, HONG J L. Superhydrophobic melamine sponge modified by cross-linked urea network as recyclable oil absorbent materials [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2018, 57(25): 8449-8459.

[11] XIE J, ZHANG J H, ZHANG X K,. Durable multifunctional superhydrophobic sponge for oil/water separation and adsorption of volatile organic compounds [J]. Research on Chemical Intermediates, 2020, 46(9): 4297-4309.

[12] XIONG S, YANG Y, ZHONG Z X,. One-step synthesis of carbon-hybridized ZnO on polymeric foams by atomic layer deposition for efficient absorption of oils from water [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2018, 57(4): 1269-1276.

[13] LIN Y R, EHLERT G J, BUKOWSKY C,. Superhydrophobic functionalized graphene aerogels [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2011, 3(7): 2200-2203.

[14] WU C, HUANG X Y, WU X F,. Mechanically flexible and multifunctional polymer-based graphene foams for elastic conductors and oil-water separators [J]. Advanced Materials, 2013, 25(39): 5658-5662.

[15] GUI X C, WEI J Q, WANG K L,. Carbon nanotube sponges [J]. Advanced Materials, 2010, 22(5): 617-621.

[16] YANG Y, TONG Z, NGAI T,. Nitrogen-rich and fire-resistant carbon aerogels for the removal of oil contaminants from water [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(9): 6351-6360.

[17] SHI J E, TIAN Y, LI W R,. Plant polyphenol-inspired nano-engineering topological and chemical structures of commercial sponge surface for oils/organic solvents clean-up and recovery [J]. Chemosphere, 2019, 218: 559-568.

[18] MA W, WANG H. Magnetically driven motile superhydrophobic sponges for efficient oil removal [J]. Applied Materials Today, 2019, 15: 263-266.

[19] FANG Y, YAN L Y, LIU H Q. Facile preparation of hydrophobic melamine sponges using naturally derived urushiol for efficient oil/water separation [J]. ACS Applied Polymer Materials, 2020, 2(9): 3781-3788.

[20] SNYDER D M. An overview of oriental lacquer: Art and chemistry of the original high-tech coating [J]. Journal of Chemical Education, 1989, 66(12): 977-980.

[21] KUMANOTANI J. Urushi (oriental lacquer) — A natural aesthetic durable and future-promising coating [J]. Progress in Organic Coatings, 1995, 26(2/3/4): 163-195.

[22] LU R, YOSHIDA T, MIYAKOSHI T. Oriental lacquer: A natural polymer [J]. Polymer Reviews, 2013, 53(2): 153-191.

[23] SUN S H, ZENG H, ROBINSON D B,. Monodisperse MFe2O4(M = Fe, Co, Mn) nanoparticles [J]. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(1): 273-279.

[24] OSHIMA R, YAMAUCHI Y, WATANABE C,. Enzymic oxidative coupling of urushiol in sap of the lac tree, rhus vernicifera [J]. Journal of Organic Chemistry, 1985, 50(15): 2613-2621.

[25] WENZEL R N. Resistance of solid surfaces to wetting by water [J]. Industrial & Engineering Chemistry, 1936, 28(8): 988-994.

[26] CASSIE A B D, BAXTER S. Wettability of porous surfaces [J]. Transactions of the Faraday Society, 1944, 40: 546-551.

[27] XU H L, LU Z J, ZHANG G Z. Synthesis and properties of thermosetting resin based on urushiol [J]. RSC Advances, 2012, 2(7): 2768-2772.

[28] ZHENG X L, XIONG X, YANG J W,. A strong and compressible three dimensional graphene/polyurushiol composite for efficient water cleanup [J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 333: 153-161.

[29] XIA J R, LIN J H, XU Y L,. On the UV-induced polymeric behavior of Chinese lacquer [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2011, 3(2): 482-489.

[30] ZHU H G, YANG S, CHEN D Y,. A robust absorbent material based on light-responsive superhydrophobic melamine sponge for oil recovery [J]. Advanced Materials Interfaces, 2016, 3(5): 1500683-1500689.

[31] ORIBAYO O, FENG X S, REMPEL G L,. Modification of formaldehyde-melamine-sodium bisulfite copolymer foam and its application as effective sorbents for clean up of oil spills [J]. Chemical Engineering Science, 2017, 160: 384-395.

[32] 刘帅卓, 张骞, 刘宁, 等. 三聚氰胺海绵的一步式协同超疏水改性及在油水分离中的应用 [J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 521-529.

LIU S Z, ZHANG Q, LIU N,. One-step synergistic hydrophobic modification of melamine sponge and its application [J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2020, 41(3): 521-529.

Urushiol and Fe3O4modified melamine sponges for effective oil/water separation

CAO Yafei, CUI Chenyi, GUO Changxiang, QI Baojin, CHEN Fei

(School of Chemical Engineering and Technology, Xi 'an Jiaotong University, Xi 'an 710049, China)

Oily sewage causes great damage to environment and oil-water separation for effective oil elimination is urgently needed. In order to provide an efficient way to solve such issues, amphiphilic melamine sponge was modified with nano-Fe3O4and urushiol via a simple dip coating strategy, and the modified urushiol-Fe3O4-urushiol melamine sponge (UFeU-MS) substrate changed from superhydrophilic-superlipophilic to superhydrophobic-superlipophilic. As urushiol has catechol groups and 15-17 carbon long alkyl chains, it was utilized to bind Fe3O4onto sponge. Meanwhile, the long alkyl chains were used to reduce surface energy. The results show that high surface water contact angle of 160.9°±1.8° can be obtained, which meets the requirements of superhydrophobicity and superhydrophilicity. Furthermore, the absorbed organic mass were 21 times higher than that of the original sponge. The separation efficiency can be maintained at 97.77% after 10 sorption-desorption cycles. The water contact angles retained above 147° when soaked in different pH solutions, which was suitable for oil-water separation in acid and alkali environments. The sponge can be recycled by simple physical extrusion or external magnetic fields after saturated adsorption.

superhydrophobic; surface modification; oil-water separation; melamine sponge

TQ337.3

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2023.05.002

1003-9015(2023)05-0699-08

2022-04-07；

2022-07-06。

国家自然科学基金(22178278)；西安交通大学青年拔尖人才基金。

曹亚飞(1997-)，女，河北沧州人，西安交通大学硕士生。

郭昌祥，E-mail：guo.cx168@stu.xjtu.edu.cn

曹亚飞, 崔晨乙, 郭昌祥, 齐宝金, 陈飞.漆酚与Fe3O4协同超疏水改性三聚氰胺海绵用于高效油水分离[J]. 高校化学工程学报, 2023, 37(5): 699-706.

：CAO Yafei, CUI Chenyi, GUO Changxiang, QI Baojin, CHEN Fei. Urushiol and Fe3O4modified melamine sponges for effective oil/water separation [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2023, 37(5): 699-706.