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微纳功能材料在环境治理中的应用
微纳功能材料在环境治理中的应用
摘要:
介绍了处理空气和水体污染的各类吸附材料,并阐述了目前在环境治理中“强化富集/催化降解”一体化复合材料的最新研究进展。
本文通过对比发现,尽管吸附材料价格便宜、稳定且易操作,对于废水和废气具有较好的吸附性能,且吸附能力可以通过一定的改性方法进一步提升,但存在吸附量低极易饱和、材料更换比较频繁、吸附饱和后容易造成二次污染等缺点,而催化技术是将这些污染物催化氧化成CO2和H2O等无机小分子,价格便宜、无二次污染、净化率高、能耗低。
通过将吸附与催化技术相结合,可以发现吸附材料的加入成功提升了催化剂的催化效率,既可以解决吸附技术的缺点,同时保留催化技术的优点,是目前处理这些污染物最有前景的方法之一。
关键词:
微纳材料;吸附(作用);催化(作用);多功能;优化;环境修复
近年来,随着工业和经济的迅猛发展,环境污染问题已引起人们的广泛关注,成为仅次于医疗、就业和收入差距问题之后的第四大主要问题[1]。
其中,由溢油、重金属废水排放和化学试剂泄漏引起的水污染问题[2],以及汽车尾气的排放、化石燃料的不充分燃烧,工厂废水废气的排放,家具、涂料等装修材料的使用引起的空气污染问题[3],给人们的身体健康和日常生活造成了严重的危害。
例如,在2010年的“深水地平线”石油事故中,约有490万桶原油泄漏到墨西哥湾,对重要的动物栖息地造成了严重破坏[4]。
1964年的日本哮喘事件中,由于工业废气排放污染,烟雾连续三天不散,致使哮喘病患者死亡,到1972年,全市已有哮喘病患者871人,死亡11人,对人们的身体健康造成了严重危害。
尽管吸附技术、膜分离技术以及等离子体技术等各种方法已被广泛采用[5],然而,时间和空间的限制以及对环境的二次污染仍然限制了它们在环境领域中的应用。
因此,仍然迫切需要有效的策略来处理这些环境污染问题。
微纳米材料具有优异的化学和物理特性,已经在环境领域进行了广泛的研究,并显示出巨大的潜力,例如较大的比表面积、超湿性、较好的热稳定性和导电性等[6]。
通过改性低成本商业材料制造的吸附材料,例如活性炭、沸石、高分子树脂、聚氨酯海绵、三聚氰胺泡沫和改良后的纤维吸附材料等,由于比表面积大、吸收速率高、效果好等优点常被用于治理水溶性污染物和空气污染[7]。
但由于吸附量极易饱和,致使材料更换频繁,且吸附饱和后锁不住污染物,成为危废面临二次污染,这些缺点严重阻碍了它们在环境治理中的应用。
因此,开发新型多功能微纳米材料已成为全球关注的重要问题,并引起了广泛的关注。
许多研究人员已经通过组合功能不同的微纳米材料来制备用于处理环境问题的新型多功能复合材料[8]。
微纳米复合材料表现出比单一材料更好的性能,例如超湿性、更高的吸附能力和催化活性、更好的稳定性、更快的反应速率等,使得这些微纳米复合材料更适用于对环境污染的治理[9]。
在这里,本文概述了微纳米吸附材料以及相应的复合材料在环境治理中的应用,例如油水分离,废水中重金属离子的吸附和降解,空气中一氧化碳、甲醛、氮氧化物、硫化氢等废气的吸附和催化。
此外,简要讨论了其研究趋势和未来前景。
1吸附材料
1.1无机吸附材料
无机吸附材料由天然、改性及合成无机吸附材料三类组成,具有成本低、来源广等优点[10]。
近年来,由于纳米技术的快速发展,无机纳米材料在环境修复中得到了广泛的应用。
此类纳米材料比表面积大,反应活性高,是处理废水废气的优良吸附剂和催化剂。
其中,最为常用的吸附材料为碳基和硅基类材料,具有高的孔隙率、表面易修饰特点,使其可以大大提高对污染物的吸附性能。
此外,还可与一些具有增强氧化还原和光催化性能的无机纳米材料(如贵金属纳米颗粒、过渡金属氧化物和氮化碳等)进行复合,用于吸附降解废水废气中的污染物。
1.1.1碳基吸附材料
碳纳米材料,包括生物炭、多孔纳米炭材料、碳纳米管、石墨烯等,由于其独特的可调节特性,已被广泛研究以发现其在环境领域中潜在的应用价值。
生物炭是具有非晶结构的高度多孔的富碳聚合物,污水污泥因其有机物含量高而适合生产含碳吸附剂。
如Guo等[11]将市政污水污泥通过硫酸化学活化然后碳化而制得由污泥衍生的生物木炭(SDBC),并通过优化浸泡比例、时间等因素,使生物木炭对水中的Cr(Ⅵ)表现出了极好的吸附性能。
多孔纳米炭材料通常为大孔和中孔结构,具有高的孔隙率和表面积,有利于污染物的吸附,因此被广泛用于废水污染的治理。
如Ling等[12]考察多孔炭材料对苯酚的吸附能力,发现比表面积和孔体积的变化,对其去除废水中苯酚的性能有着显著的影响。
碳纳米管(CNTs),1991年由Iijima[13]首次发现。
从那时起,CNTs由于其独特的理化特性而成为了研究的焦点。
两年后,1993年,Iijima、Ichihashi和Bethune等[14]使用电弧放电法和金属(铁和钴)作为催化剂发现了较小直径的单壁碳纳米管(SWCNTs)。
由于其独特的机械、热、电和光电特性,而被称为“21世纪材料”[15]。
此外,对吸附材料进行表面改性以增强吸附材料的表面积,进而增强其吸附能力也是常用手段,例如,Chin等[16]将水中的邻二甲苯和对二甲苯用作模型吸附物,利用硝酸对SWCNTs进行表面改性,可以发现,改性后的纳米管明显增加了该吸附材料的内表面积,从而极大改变了SWCNTs对邻二甲苯的吸附。
此外,与传统的含碳吸附剂(如活性炭)相比,碳纳米材料可以克服许多固有的局限性,如表面活性中心密度低、吸附键活化能低、非均相体系中的慢动力学和非平衡吸附以及吸附剂表面的传质速率低等。
当碳纳米材料用于去除水溶液中的有机物时,由于其具有高比表面积、可控的孔径分布和表面活性中心,在较宽的pH范围内表现出更高的平衡速率、较高的吸附容量和有效性[17]。
有机污染物与碳纳米材料之间的相互作用可分为疏水作用、氢键、共价和静电相互作用。
与传统纳米材料和活性炭相比,电子极化率或电子给体-受体(EDA)相互作用决定了碳纳米材料的高平衡速率[18]。
Yang等[19]的工作比较了不同尺寸的C-60、nC-60纳米颗粒、SWCNTs和MWCNTs,证实了这一结论。
石墨烯,自2004年被发现以来,由于其独特的导热性、导电性、良好的生物相容性和优异的力学性能,被广泛应用于环境、能源等领域[20]。
近年来,石墨烯泡沫(GF)可以通过化学气相沉积法以及化学或热还原氧化石墨烯(GO)的方法制备,由于其多孔结构,大的比表面积和疏水性,在废水处理和水净化方面被广泛研究[21]。
Kim等[22]报道了一种用化学还原法制备的三维石墨烯泡沫,用于去除水溶液中的有机染料(亚甲基蓝和罗丹明B)。
由于强烈的阴离子-阳离子相互作用和π-π堆积,rGO泡沫表现出出色的化学吸附性。
为了进一步研究其实用性,用细菌细胞研究了泡沫净化后水溶液中的毒性,结果表明,在净化后的水溶液中,细菌细胞可以生长,从而表明其对水中有机染料的去除是成功的。
Cheng等[23]制备的石墨烯海绵(GSs),由于具有可调控的孔结构、较大的比表面积和优异的力学性能,使其具备了较高的吸附能力,可用于去除多种水污染物,如有机染料、油和有机溶剂等。
Huang等[24]以琼脂糖作为稳定剂和交联剂,成功合成了由二维石墨烯组装而成的石墨烯海绵(GSs)。
由于石墨烯片和琼脂糖之间存在氢键和π-π堆积相互作用,使得GS对污染物孔雀石绿具有极高的吸附率(242mg/g)。
同样,Duan等[25]以多巴胺为还原剂和表面功能化剂对石墨烯进行表面改性并形成水凝胶(GH)。
由于聚多巴胺和GO膜表面均含有丰富的氧官能团(—O-和COO-),在3~6的pH下,由于静电吸附作用,GH显示出对重金属离子极高的吸附能力。
由于GO在自组装成rGO泡沫时,水热处理后可以使石墨烯表面的含氧官能团大大降低,因此rGO泡沫具有良好的疏水性。
多孔且疏水的rGO泡沫在去除水中的油脂和有机溶剂时表现出良好的性能。
例如,Ruoff等在180℃下将GO溶液热处理24h,成功合成了可塑性海绵状石墨烯(SG),其具有良好的疏水性(水接触角达到114°)及较大的比表面积(432m2/g)。
由于具备这些特性,其对各种常见的油和有机溶剂表现出较快的吸附速率和较高吸附容量(是自身质量的20~86倍)。
更重要的是,由于其优异的热稳定性,SG可以通过热处理法释放吸附物以达到循环利用的目的。
Chen等使用发酵的方法制备了石墨烯泡沫[26]。
首先通过流向组装法[图1(a)]制备了一个独立的氧化石墨烯层状膜,然后在水合肼的辅助下进行热处理,得到石墨烯泡沫,其具有开放的多孔结构,孔径从亚微米到几微米不等[图1(c)],而且具有良好的憎水性和毛细管作用,对油和有机溶剂的选择性吸附至关重要。
如图1(d)所示,泡沫快速且彻底地去除了浮在水面上的油。
此外,该泡沫具有较好的可重复使用性和再生能力。
图1(e)显示,经过10次吸附-脱附循环试验后,石墨烯泡沫的吸附容量保持不变。
上述主要介绍了碳材料对于废水的处理。
此外,研究发现,碳材料对于环境中的废气同样具有较好的吸附性能。
如Reid等[27]研究发现,相比于活性炭材料,多孔炭材料对于挥发性有机物(VOCs)有着较好的去除作用,这主要是因为在高温条件下,会促进VOCs进入吸附剂的孔中。
而且在高温范围内,可能在VOCs与碳质吸附剂之间会发生相互作用从而引起化学吸附。
因此,多孔炭材料不会因为温度的升高而降低对VOCs的吸附能力。
而Grate等[28]研究了单壁碳纳米管作为吸附材料用于有机废气的吸附。
研究发现,与以前广泛使用的Tenax多孔聚合物材料相比,在不同温度下,单壁纳米管对从填充塔中释放出的蒸气(如甲乙酮、甲苯和甲基膦酸二甲酯等)的保留力更高,对有机蒸气具有显著的亲和力。
石墨烯及其衍生物在处理含有重金属、染料、有机或无机污染物的废水方面表现出优异的性能。
研究发现,其在有毒气体的吸附方面也具有较大的潜力。
耐水性能是影响气体吸附剂商业应用的最关键因素之一。
由于GO表面存在大量的含氧官能团,因此具有很强的亲水性,所以对于VOCs等污染气体的吸附会受到水蒸气的影响。
因此除去其表面官能团对于提升GO的吸附性能具有较大的影响。
例如,Bai等[29]制备了还原氧化石墨烯(rGO)/碳复合超细纤维,在碳化过程中,GO通过H2被还原为rGO,同时除去了其表面的含氧官能团,使其对VOCs污染物表现出了较好的吸附能力。
图1rGO泡沫
1.1.2硅基吸附材料
一种优秀的吸收剂不仅要有大的比表面积,而且要具备有序的、开孔的结构,在吸附和再生的过程中,具有可用的吸附位点和更强的机械和化学稳定性,经过酸碱处理后不会破坏其结构。
与碳材料相比,二氧化硅纳米材料,是由硅原子和周围的四个氧原子构成的网络结构,除了具有高比表面积、低成本、明确的纳米结构、出色的机械和热稳定性等优点之外,还具有一定的吸附位点、硅烷醇基团(SiOH)等,使其常常被用在环境修复领域中。
介孔二氧化硅于20世纪90年代初被首次发现,从此扩大了沸石的应用范围。
随着纳米技术的发展,人们制备了各种类型的介孔二氧化硅纳米粒子,并用于催化、分离、离子交换、分子筛和吸附等过程中[30]。
介孔二氧化硅纳米颗粒由于具有比表面积大、孔径和孔型均匀等优点,在废水处理领域得到了广泛的关注。
孔径在2~5nm之间的二氧化硅纳米颗粒有二维六方晶系p6m结构的MCM-41、三维立方Ia3d结构的MCM-48和层状p2结构的MCM-50。
孔径在6~20nm之间的硅材料有二维六角形p6mm结构的SBA-15。
还有人报道了其他具有大孔的3D立方二氧硅材料,如IBN-2(Fm3m)[4]。
近十年来,MCM-41沸石作为吸附剂,通过物理吸附或化学改性后的化学吸附,可用于废水中的重金属离子的吸附。
与MCM-41相比,SBA-15具有更大的可调节孔(5~30nm),使得靶向吸附质更容易进入二氧化硅纳米粒子的内表面。
由此导致了快速动力学和非平衡吸附,并且SBA-15显示出比MCM-41二氧化硅更高的吸附容量。
此外,SBA-15的孔壁的厚度(约4nm)可以保证其机械稳定性。
虽然与传统吸附剂(如活性炭)相比,介孔二氧化硅具有较大的比表面积和独特的孔结构,是一种很有前途的吸附剂,但由于其表面官能团的缺乏,极大限制了其吸附应用,特别是在需要高吸附选择性和高吸附容量的情况下。
介孔二氧化硅表面的化学改性是克服这一缺陷的一种很有前途的方法。
通过十二胺和3-氨基丙基三甲氧基硅烷等功能性有机小分子修饰改性介孔二氧化硅表面,即可用于去除水溶液中的染料和重金属离子(如Cu2+、Cd2+、Pb2+和Hg2+等)[31],而且发现改性后的二氧化硅明显提升了其吸附性能。
此外,其在吸附室内空气中挥发性有机污染物(VOCs)方面也有着较好的性能。
例如,Zhao等[32]通过实验得到MCM-41、沸石和活性炭三种材料对VOCs的吸附等温线。
结果表明,与活性炭的性能相比,由于MCM-41的Ⅳ型等温线特征,使其对低蒸气压的VOCs的吸附能力较低,而对高蒸气压的VOCs的吸附能力较高。
此外,可以在较低的温度(50~60℃)下从MCM-41中解吸VOCs,而对于沸石和活性炭,则必须在较高的温度(100~120℃)下进行解吸。
1.2有机吸附材料
有机吸附材料分为天然、天然改性及合成三种类型,其中天然有机吸附材料有诸如玉米秆、稻草、木屑、树皮、花生皮等,它们可以从水中除去油类和与油相似的有机物,具有廉价、无毒、易得等优点,但吸附量极低,对黏度较高的油品吸附能力有限且再生困难。
天然有机吸附材料起到吸附作用的是纤维素和木质素,它们是交叉立体的三维网络空间大分子聚合物结构,并且结构单元中存在着芳香基、羟基、羰基、甲氧基、共轭双键以及酚羟基等化学功能基团,天然改性有机吸附材料则是通过对这些基团进行适当的改性,从而提升天然有机吸附材料对不同有机物及重金属离子的吸附能力。
有机合成吸附材料属于高分子合成树脂的一种,目前已经形成了高吸水高分子材料、高分子吸油树脂及高分子金属螯合树脂几大类型,由于其分子结构可设计、吸附量高、选择性好、产品类型丰富以及可再生,高分子吸附材料最近几年得到了迅猛发展[10]。
本文重点对纤维素类、树脂类、聚氨酯海绵以及三聚氰胺泡沫吸附材料进行讨论。
1.2.1纤维素类吸附材料
纤维素是来自于天然有机吸附材料,是地球上最丰富的有机聚合物。
它可以从木浆、棉花、大麻和某些细菌中获得,自1838年被发现以来已被广泛使用。
通常,化学改性的纤维素对各种水污染物的吸附能力要高于它本身,许多化学修饰剂已用于纤维素修饰,包括无机酸和有机酸、碱、氧化剂、有机化合物等[33]。
MohandSaidOuali小组在碱性条件下,将纤维素与琥珀酸酐在甲苯中进行异质酯化反应,成功制备出琥珀酰化纤维素(SC),再用饱和NaHCO3水溶液对SC进行碱处理,使游离羧酸基团脱质子。
对所得的钠盐材料(NaSC)进行批处理实验,以检查其在蒸馏水和加标地下水中的去除镉的能力。
结果表明,NaSC材料在两种水环境下去除镉能力都非常优异,最大吸收量分别为185.2mg/g和178.6mg/g[34]。
Zhao小组[35]制备的顺丁烯二酸酐改性的纤维素对碱性染料如甲基蓝和甲基紫具有很高的去除能力,并且在最佳条件下具有很高的去除效率(高达97.5%)。
Zhou小组[36]提出了一步气固反应制备具有任何形状和尺寸的疏水性纤维素材料的方法,图2即将纤维素材料完全暴露于反应性有机硅烷蒸气中使其具有疏水性,他们选取滤纸作为典型的纤维素材料,利用全氟辛基三乙氧基硅烷(PFTS)对滤纸进行疏水改性,与原始滤纸相比,全氟辛基三乙氧基硅烷改性滤纸纤维(SFP)的理化特性得到了显著改善。
它已成功应用于分离一系列油/水混合物,分离效率超过99%,即使经过30个重复使用循环,流量和分离效率仍然很高(氯仿/水混合物为99%)。
1.2.2树脂类吸附材料
树脂是一种热门的吸附材料,因为它具有丰富的官能团(羟基、氨基等),可以通过氢键、静电相互作用、离子交换相互作用等与分析物结合达到吸附的目的[37]。
南京大学张全兴院士和他的团队在国内最早将树脂型吸附材料融合到环境工程领域[38],开创了树脂吸附法治理工业废水及其资源化的新领域,为重点化工行业污染控制和节能减排做出了重要贡献。
陈义镛等[39]较早曾合成了含多甘醇的螯合树脂,在一定条件下,对贵金属Au的吸附率可达99%~100%。
何炳林等[40]分别报道了以Cu2+、Ni2+为模板的选择性吸附树脂材料。
动态吸附实验结果表明,该树脂对Cu2+可优先吸附,而97.8%的Ni2+排出了吸附柱。
而国外对于树脂的研究更早,在20世纪40及50年代,国际上就已经有关于高分子金属离子吸附材料的研究报道,这类材料被称为螯合树脂,主要用于吸附和提取碱金属及碱土金属。
1946年,挪威科学家首次研制出对钾离子具有选择性的树脂材料,可以从海水中吸附并提取钾。
Hasalettin等曾报道了高分子材料负载杯芳烃的合成及其吸附性能,结果表明该类树脂能够从含有Cu2+、Ni2+、Co2+、Fe3+的混合溶液中选择性地吸附Fe3+。
Kabanov等曾采用以铜离子为模板合成了含Cu2+的丙烯酸和乙烯基膦酸二乙酯的印迹共聚物,再用甲撑双丙烯酰胺交联形成树脂型吸附材料,解吸出Cu2+后的金属印迹高分子材料,其Cu2+吸附容量是普通共聚物的两倍。
Gao小组[41]利用浸渍在苯乙烯大孔弱碱性阴离子交换树脂D301的网络孔中的阳离子聚电解质聚表氯醇二甲胺(EPIDMA),很好地制备了具有高吸附能力和对Cr(Ⅵ)具有特殊亲和力的新型复合材料EPIDMA/D301,结果表明,弱碱性阴离子交换树脂负载的阳离子聚合物显示出极好的去除Cr(Ⅵ)离子的潜力,这主要归因于聚合物主体D301产生的非特异性Cr(Ⅵ)吸附,D301上固定的氨基的静电吸引基质和嵌入的带有Cr(Ⅵ)离子的EPIDMA以及通过置换主要由EPIDMA带有Cr(Ⅵ)离子的Cl-进行的离子交换(图3)。
图2纤维素的疏水改性[36]
图3EPIDMA/D301吸附Cr(Ⅵ)的机理[41]
图4可控结构吸附材料的结构
路建美等自20世纪80年代开始一直从事高分子高吸油材料的研究,其在高分子高吸油材料分子结构研究的基础上,构建了可控结构高分子高吸油材料,图4为其分子层面的三维网络空间示意图。
如图4所示,构建此结构的核心基础是功能单体,功能单体侧链所含R基团,必须对油类物质有较强的驱动力,相当于磁吸铁,驱动力越强,吸附速率越快。
所以,如何设计和选择不同种类的R基团,使它们在同一个网络空间中协同地发挥作用,是高分子高吸油材料综合吸附性能得以优化和提升的关键。
而且通过设计一定比例的亲水基团,调控材料表面对油分子最优化的表面能,使油分子通过材料表面的阻力最小化,实现油分子快速进入材料内部三维网络空间。
例如,路建美等[10]将甲基丙烯酸十二酯分别与甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸己酯共聚,考察各类共聚单体组成对吸油率的影响,结果如图5所示。
从图5中可以看出,甲基丙烯酸十二酯与甲基丙烯酸己酯共聚所得的材料吸附倍率最高,证明了甲基丙烯酸己酯的吸油能力最强,其次是甲基丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸乙酯,这符合高吸油性材料的吸油机理,酯基长,亲油性强。
图5共聚单体组分与吸柴油倍率的关系[10]
路建美等[10]还通过引入具有特殊结构的功能单体到上述共聚组分中,使不同R基团之间发挥协同吸附作用,并设计合成了一些以(甲基)丙烯酸酯和苯乙烯为母体、侧链含不同大小芳香环和不同长度柔性链的新型功能单体(图6)。
以这种单体中侧链刚性芳香环撑开高吸油材料三维网络空间中分子侧链间的空隙,缓解长柔性侧链之间的相互缠绕,从而改善油性分子向吸油材料内部扩散,缩短吸附饱和时间,解决高吸油倍率下吸附速率慢的技术难题。
图6含不同大小芳香环的单体结构[10]
路建美等还考察了含特殊功能单体的共聚物对各类有毒有机物的吸附性能。
例如,他们通过相似结构的原则分别设计了针对含亲芳香环类、亲卤代烃类和亲酯类的功能单体,在高分子高吸油材料合成时,加入一定量的功能单体考察材料对不同油品的吸附性能,结果发现在高分子高吸油材料中针对性地加入对芳香环具有亲和性的单体后,其吸附性能明显高提高。
路建美等[10]还通过协同基团的构建突破了传统的吸附速度。
他们首次提出了在亲油分子上引入亲水分子的新思路,通过大量实验发明了基于亲水/亲油分子协同吸附机理的新材料,从根本上改变对油吸附界面动力学,与油分子的作用力远超范德华力。
图7是在亲油单体上引入亲水基团后聚合得到的高分子高吸油材料对水的接触角测试,可以发现,在引入少量亲水单体后,材料表面的油滴在2s之内就完全被材料吸附(图7右);而用常规的丙烯酸酯类单体共聚的高分子高吸油材料,油滴在表面经过2h也没有多大的变化(图7左)。
成功实现了吸油速度进一步实现了突破,达到了短短的几秒钟,为高分子高吸油材料的理论和实用化奠定了基础。
图7高分子高吸油材料吸附表面油滴的速度监测[10]
此外,路建美等[10]在对高吸油高分子材料研究过程中,考察不同交联剂种类对所得高分子吸附材料吸附性能时发现,常规的二乙烯基苯作为交联剂得到的高吸油材料的吸附倍率较低,但该材料在吸附饱和后依然能保持比较好的强度;而采用二甲基丙烯酸丁二醇酯作为交联剂时,虽然所得材料吸附倍率较大,但吸附饱和后材料强度明显下降。
通过对交联剂结构分析,认为二乙烯基苯的分子链较短,且中间的苯环为刚性结构,虽然形成的网络空间相对较小,但网络骨架相对刚性;而后者交联剂主链为柔性链,所形成的网络空间刚性不够,材料在吸附过程中难以保持理想的机械强度。
受此现象启发,设计合成了分子结构中同时含刚性基团和柔性链的新型交联剂,结构如图8所示。
由上述刚性/柔性链并存的交联剂所构建的吸附材料三维网络空间骨架由于刚性链的贡献而在吸附饱和后仍然保持较高的机械强度,吸附过程中刚性基团可以进一步撑开材料内部网络空间,有利于粘度较大的原油等油类分子扩散进入高分子高吸油材料内部,增加材料对原油、成品油等的吸附容量。
而柔性链部分则使得网络结构具有较强的回弹性,使得材料在吸附过程中得到最大程度的膨胀,提高吸附材料的保油能力;吸附饱和之后在一定条件下使油分子脱附后,材料又可以恢复到之前的形状,从而有利于吸附材料的重复使用(图9)。
另外,调控材料内部网络中交联点间的距离即交联密度,也可以进一步调节网络空间的大小和强度。
当采用刚性/柔性链并存的新型交联剂在适当的交联密度下,可以使吸附材料的综合性能得到优化[10]。
图8刚性/柔性链并存交联剂结构[10]
图9可控结构高分子高吸油材料吸附-膨胀-脱附过程[10]
路建美等[10]除了在分子结构层面设计高分子高吸油材料优化其吸附速率和吸附倍率外,还通过所合成的材料内部和表面构建合适的微纳孔道的方法,提高其性能。
这种方法增大了材料的比表面积,使其与油的接触面积尽可能大,从而有效提高了吸油速率和吸油倍率。
针对传统致孔剂对材料致孔效果不理想的情况,他们开发了一种自制的致孔剂,这种致孔剂和单体一起反应,反应后预埋在高分子高吸油材料内部,通过后期处理使预埋的致孔剂消解同时放出惰性气体,这样致孔剂消解留出的通道以及惰性气体逃逸开辟的孔道在材料内部好表面形成致密的微纳孔道,大大提升了材料的比表面积,促使高分子高吸油材料的吸油倍率和吸油速度进一步提高。
自制致孔剂在高分子高吸油材料内部和表面形成的微纳孔道效果见图10。
此外,路建美等除了讨论了单体、交联剂和材料微纳孔径构建三个重要因素对高分子高吸油材料的吸油性能造成重要影响外,还讨论了一些其他因素对吸油性造成的影响,主要是合成中使用到引发剂、分散剂及温度等因素。
研究发现,随着引发剂用量的增大,其吸油倍率出现峰值。
这是因为引发剂用量影响着聚合物的交联
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