本技术属于吸附分离技术领域,具体涉及一种金属‑酚醛网络介导的具有分层粗糙表面的超疏水海绵及其制备方法与应用。本发明通过将多孔海绵浸入一定浓度的单宁酸TA和FeCl<subgt;2</subgt;·4H<subgt;2</subgt;O混合液中,利用Fe<supgt;2+</supgt;逐渐氧化为Fe<supgt;3+</supgt;并与单宁酸TA发生动态配位,从时间和空间上控制海绵骨架上粗糙中间层的生长,调控海绵骨架表面TA‑Fe<supgt;3+</supgt;网络沉积层的厚度和粗糙度。本发明利用TA‑Fe<supgt;3+</supgt;网络中TA分子的酚羟基与十八胺分子中氨基的迈克尔加成反应和席夫碱反应,在海绵骨架上修饰低表面能分子十八胺,以制备具有粗糙分层结构和低表面能的仿生超疏水海绵,用于含油废水分离。
背景技术
全球能源需求的持续增长,刺激了石油相关产业的快速发展,也加剧了石油泄漏和工业含油废水排放对生态环境和人类健康的威胁。过去,原位燃烧、气浮、离心等传统清理技术在油水分离中得到了广泛应用,但这些方法往往存在能耗高、分离效率低、易造成二次污染等局限性。因此,寻求高性价比的油水分离技术是水、能源和环境安全的迫切需要。
油水分离的本质是界面问题,随着生物界面润湿理论研究的深入,具有超疏水/超亲油(SHB/SOL)特性的多孔吸附材料因其选择性去除油类组分的能力而受到广泛关注。特别是针对湖泊或海洋等开放区域漏油的应急处理,只需在污染区域放置吸附材料即可收集石油。此外,除了间歇吸附操作外,超疏水多孔材料还可以在吸力作用下实现油相的连续分离,从而简化采油作业,降低成本。在传统的多孔吸附材料中,三聚氰胺、聚氨酯等商用高分子海绵具有成本低、回弹性高、孔隙率高、比表面积大等特点,可作为油水分离的候选材料。然而,未经改性的海绵既亲水又亲油,缺乏对油和水的选择性。因此,商用海绵需通过表面改性使其具有SHB/SOL性能。
仿生超疏水表面设计的关键部分是表面微纳粗糙结构与低表面能组分之间的相互协同,根据Wenzel和Cassie润湿模型,分层粗糙结构对超疏水表面的构筑至关重要。迄今为止,各种表面后处理方法如浸涂、等离子体处理、气相沉积和水热处理已被用于调整海绵的三维低表面能粗糙结构。然而,大多数方法繁琐且昂贵,难以实现大规模的工业应用。更重要的是,由于表面改性剂和基体之间的化学相互作用需要根据具体情况进行调整,因此用于基材表面改性的简单而通用的策略很少。
近年来,由酚类材料与金属离子螯合形成的金属-酚醛网络(MPNs)由于其非选择性粘附特性取得了实质性进展,并作为中间层,为物理或化学方法的进一步改性提供了一个通用平台。在众多的金属配体组合中,由Fe3+
和单宁酸(TA)组成的MPNs被研究得最为广泛。基材上MPNs涂层的制备路线可分为直接组装和多步组装(如逐层组装)两大类。在直接组装中,基底在TA和Fe3+
的混合物中完成,配位反应几乎在1分钟内快速终止,形成厚度约为10nm的涂层,这意味着配合物的沉积极为有限。对于较厚涂层的制备,基本上首选逐层组装工艺,但制备过程繁琐。值得注意的是,由于MPNs本身不具备疏水性,疏水表面的构筑需引入额外的低表面能分子。更重要的是,对于MPNs介导的仿生超疏水表面,由于传统方法构建的MPNs涂层相对光滑,通常需要额外的微纳米颗粒构建粗糙的层次结构,然后再采用低表面能分子修饰,这无疑增加了制备过程的复杂性。如Li等人首先通过将木棉浸入TA和Fe3+
的混合液中在其表面形成MPNs层,然后在MPNs介导的木棉表面原位生长ZIF-8颗粒以构筑粗糙分层结构,最后引入十二烷制备了具有超疏水表面的气凝胶。
实现思路