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新加坡學者3D打印纖維素膜作為高效油水分離解決方案

     發布時間:2019-04-19 

據高分子科學前沿微信公眾平臺2019年4月18日訊 近年來, 油水分離方案倍受科研人員的關注。油水分離方案可用于海上油污污染問題的治理,工業含油廢水的處理以及化學工業產品的分離。其中,網格過濾系統由于其低廉的成本,便捷的操作以及高效的分離效率,成為了界面材料領域的研究熱點。這種方案關鍵在于材料表面潤濕性和微納結構的合理搭配。通過表面化學和形貌的控制,可以實現超疏水或者超親水的過濾網膜。然而,目前大多數研究都集中在金屬網格的表面涂層研究。一旦涂層剝離或者表面粗超度下降,網膜會喪失高效分離功能。同時,分離網膜的抗油污性能也是可靠性的保證。大多數材料在被低表面能,高粘度的油相污染后很難再重新獲得初始的親水性,最終導致失效。
  針對上述存在的問題,新加坡國立大學Chaobin He課題組, Jun Ding課題組和新加坡制造技術研究院共同合作,先利用擠出式3D打印技術打印醋酸纖維素網膜, 再通過水解轉換為無定形纖維素,制備出可用于高效油水分離的分離網膜(圖1)。


新加坡學者3D打印纖維素膜作為高效油水分離解決方案

圖1.3D打印過濾網膜的示意圖


  如圖2所示,通過擠出式3D打印技術可以很好地控制最終產品的形貌和孔徑,從而獲得不同形貌和孔徑的分離網膜。通過控制孔徑的大小,分離網膜的性能(流量和穿透壓力)可以被很好地調控。此外,打印的分辨率限制還能通過打印不同的離網膜結構體來得以克服,從而更好地控制分離網膜的性能。


新加坡學者3D打印纖維素膜作為高效油水分離解決方案

圖2.3D打印過濾網膜的形貌展示


  更重要的是,纖維素分離網膜表現出了優異的水下自清潔性能。實驗表明,即使網膜在干燥狀態下被高粘度的油相(如硅油:PDMS)污染,一旦和水接觸,油相會自動脫離其表面,實現自清潔功能(圖3)。這得益于無定形纖維素優異的親水性以及強力的吸水性。它能在水下產生一定溶脹,同時保存一定的機械性能。


新加坡學者3D打印纖維素膜作為高效油水分離解決方案

圖3.過濾網膜優異的水下自清潔性能展示


  圖4詳細地展示了纖維素網膜優異的化學穩定性以及對不同種類油的分離能力。它可以實現不同pH的水(1~14)和不同粘度油(1~91 cP)的高效分離。與之前研究不同的是,本文提出的方法并不依賴材料表面的微納結構,而是利用了纖維素本身的強力親水性能。該研究為用于油水分離的網格過濾系統提供了新的方案思路。


新加坡學者3D打印纖維素膜作為高效油水分離解決方案

圖4.不同種類油和水的分離效率


  以上工作發表于ACS Appl. Mater. Interfaces。


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