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News 一步法构筑环境耐受性强的POSS基疏水棉织物并用于超快速油水分离

一步法构筑环境耐受性强的POSS基疏水棉织物并用于超快速油水分离

日期: 2019-08-26
浏览次数: 77

一步法构筑环境耐受性强的POSS基疏水棉织物并用于超快速油水分离

Facile one-step preparation ofrobust hydrophobic cotton fabrics by covalent bonding polyhedral oligomericsilsesquioxane for ultrafast oil/water separation

YangDeng, Di Han*, Yi-Yi Deng, Qin Zhang, FengChen, Qiang Fu*

现如今,石油污染已成为水污染的主要来源,并且产生了严重的全球性环境问题。因此,如何有效快速地处理含油污水俨然成为我们需要迫切解决的问题;由于环境友好、节能和连续操作等诸多优势,膜分离技术被认为是一种最具前景的油/水分离的方法。迄今为止,研究者已经制造了各种分离膜材料,而最主要的是将纳米颗粒和低表面能的物质涂覆到各种基材上,如织物、金属网等。其中,由于其优异的机械性能、良好的耐化学性、固有的微/纳米结构、低成本、高产量、大的孔径以及良好的反应性(大量的羟基),棉织物被认为是制备油/水分离膜材料的不二之选。然而,由于棉织物固有的亲水性和亲油性,在进行油水分离前必须改变其表面润湿性。为了改变棉织物的表面润湿性,已经使用了包括SiO2TiO2MnO2Cu-Fe氧化物和氟化聚苯胺等各种纳米颗粒来构建疏水表面并应用于油/水分离。但是它们的实际应用仍然受到制备效率低、机械耐久性差、化学耐受性差、耐环境性差以及低渗透通量的阻碍。为了克服这些缺点,之前有研究报道将氟化癸基POSSFD-POSS)溶解在氟化烷基硅烷(FAS)中,通过浸涂法制备耐用且坚固的自清洁的超疏水/超疏油棉织物;但是由于其两疏性质,不能用于油/水分离。最近,也有研究报道使用化学气相沉积(CVD)法将棉织物的羟基转化为硫醇基团,然后通过硫醇-烯烃点击反应,成功地将甲基丙烯酸-七异丁基POSSMAPOSS)接枝到棉织物上,分两步获得稳定的超疏水棉织物。发现所得到的织物可以从水中吸油,但是他们没有报道改性织物对油水混合物的连续分离。

本文通过八乙烯基POSS(简称:VPOSS)与(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(简称:MPTMS)之间的硫醇-烯烃点击化学反应制备了一种含硅烷偶联剂的POSS衍生物(简称:POSS-MPTMS)(如图1A)。POSS-MPTMS的三甲氧基硅烷基团不仅可以与棉织物的羟基脱水缩合反应形成共价键降低织物的表面能,而且还可以相互水解形成微纳米结构增加表面粗糙度。此外,POSS上的乙烯基也可以为棉织物提供良好的亲油性,实现快速的油水分离,反应过程如图1B。通过控制浸涂时间和POSS-MPTMS单体浓度,我们成功的制备出了水接触角为142°的疏水性棉织物;改性棉织物具有优异的耐化学腐蚀、耐紫外线照射、耐磨以及耐超声洗涤的能力(如图2);仅在重力的作用下,改性棉织物可以有效的实现不同油水混合物(如二氯甲烷-水、氯仿-水、石油醚-水、甲苯-水、正己烷-水)的分离,且通量高达114744 L·m-2·h-1(如图3)。此外,对于包含高浓度的酸、碱、盐的油水混合物,改性棉织物也能保持良好的稳定性,并实现有效的分离(如图4)。我们相信,POSS是一种理想的可以用作制备抗腐蚀且力学性能优良的疏水材料。

一步法构筑环境耐受性强的POSS基疏水棉织物并用于超快速油水分离

图1.(A)POSS-MPTMS的制备路线图,(B)POSS改性疏水棉织物的制备过程图。 


一步法构筑环境耐受性强的POSS基疏水棉织物并用于超快速油水分离

图2.(A)溶剂、(B)紫外线照射时间、(C)磨损、(D)超声洗涤对改性棉织物水接触角的影响。


一步法构筑环境耐受性强的POSS基疏水棉织物并用于超快速油水分离

图3.改性棉织物分离各种油水混合物的(A)分离效率和(B)渗透通量。



一步法构筑环境耐受性强的POSS基疏水棉织物并用于超快速油水分离


图4.改性棉织物在严苛条件下的分离过程(A)氯仿-1 M硫酸、(B)氯仿-1 M氢氧化钠和(C)氯仿-饱和食盐水(氯仿用苏丹Ⅲ染色);(D)改性棉织物在严苛条件下经不同循环次数后的分离效率。


Chemical Engineering Journal

DOI10.1016/j.cej.2019.122391

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122391


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