关键词:
聚乙烯醇
3D泡沫材料
特殊浸润性
油水分离
乳液分离
摘要:
近年来,随着石油化工、化学制药、机械制造、食品加工和纺织工业等行业的发展,越来越多的含油废水被排放到自然界中,引起环境污染和生态系统破坏等严重问题。在含油废水中,油的存在形式通常可以分为四种:浮油、分散油、乳化油和溶解油,其中乳化油的去除是含油废水处理的重点与难点。随着膜分离技术的迅速发展,不同种类的微孔膜材料被广泛应用到工业废水的处理中,但仍存在易被污染、水通量低、成本高等缺点,限制了膜分离技术的大规模应用。针对上述问题,本论文以聚乙烯醇基泡沫材料(PVF)为基底材料,吸附不同类型的聚乙烯醇(PVA)水溶液,通过固化交联反应,调节复合泡沫的孔道结构,再通过对复合泡沫的亲/疏水改性,成功制备出一系列可用于分离不同类型乳状液的乳液分离泡沫材料。系统研究了复合泡沫的PVA吸附量、孔结构、亲/疏水性能、力学性能、表面电势等因素与材料乳液分离性能和分离通量的关系,开展了亲水性/疏水性PVF基复合泡沫的工程化制备,设计和建立了适合工程化应用的乳液分离装置,并进行了针对实际工业废水的工程化研究,为乳液分离泡沫材料在工业废水处理领域的应用奠定了基础。以聚乙烯醇基泡沫材料(PVF)为基底材料,吸附聚乙烯醇/壳聚糖(PVA-CS)、聚乙烯醇/硅藻土(PVA-Si)、聚乙烯醇/海藻酸钠(PVA-SA)和羧基改性的聚乙烯醇(PVA-COOH)水溶液,通过固化交联反应,制备出超亲水性的复合泡沫(PVA-CS/PVF、PVA-Si/PVF、PVA-SA/PVF、PVA-COOH/PVF)。复合泡沫具有相互连通的孔洞结构和粗糙的表面结构,且当吸附PVA额外增重≥30%时,复合泡沫内部出现大量≤20μm的孔道结构、少量纳米级孔和纳米微米复合结构。PVA-CS/PVF、PVA-Si/PVF、PVA-SA/PVF 和 PVA-COOH/PVF 复合泡沫在去离子水中的饱和吸水量(Qs)在6.4-9.5g·g-1范围内,其水接触角均为0°,表现出优异的亲水性能。复合泡沫在湿态下具有优异的力学性能,可以抵抗较大的形变而不会破裂。对于“水包油”型乳状液,PVA-CS/PVF、PVA-Si/PVF、PVA-SA/PVF复合泡沫的乳液分离效率均大于97%,水通量可高达2.40×104 L m-2 h-1 bar-1,PVA-COOH/PVF复合泡沫的乳液分离效率大于96%,水通量可高达3.82×104 L m-2 h-1 bar-1。复合泡沫在经历10次循环过滤试验后,其乳液分离效率没有明显的下降,具有非常优异的重复使用性。以聚乙烯醇基多孔材料(PVF)为基底材料,吸附一定质量的聚乙烯醇(PVA)的水溶液,通过固化交联反应,制备出聚乙烯醇基复合泡沫材料(PVA/PVF),然后通过硬脂酰氯、十八烷基三甲氧基硅烷(OTMS)与PVA/PVF中羟基的反应,制备出疏水性的复合泡沫材料(PVA/PVF-CH、PVA/PVF-Si)。催化剂用量、反应温度、反应时间、反应物投料比对复合泡沫的接枝率GP和接枝效率GE值均有影响,通过改变反应条件可有效调控GP和GE值。复合泡沫具有相互连通的孔洞结构和粗糙的表面结构,其内部含有大量≤20μn的孔道结构、少量纳米级孔和纳米微米复合结构。PVA/PVF-CH和PVA/PVF-Si复合泡沫在空气中的水接触角分别为127°和130°,表现出优异的疏水性,其对不同类型有机溶剂的饱和吸液量在3.57-34.35 g·g-1和0.76-5.58 g·g-1范围内。复合泡沫在干态下具有优异的力学性能,可以抵抗较大的形变而不会破裂。对于“油包水”型乳状液,PVA/PVF-CH复合泡沫的乳液分离效率和分离通量分别为75.85%和7.65×104 L m-2h-1 bar-1,PVA/PVF-Si复合泡沫的乳液分离效率和分离通量分别为99.99%和7.65×104L m-2 h-1bar-1。复合泡沫在经历10次循环过滤试验后,其乳液分离效率没有明显的下降,具有非常优异的重复使用性。开展了亲水型PVA-COOH/PVF复合泡沫和亲油型PVA/PVF-CH复合泡沫的工程化制备,设计和建立了适合工程化应用的乳液分离装置,并进行乳液分离工程化试验,探索乳液分离材料和系统在实际应用中的可行性。对于简单的乳液体系,仅填充PVA-COOH/PVF复合泡沫过滤层的乳液分离系统的乳液分离效率均大于95%,最高可达99.52%,水通量最高可达3.85×104 L m-2 h-1。对于复杂的乳液体系,乳液分离系统的乳液分离效率最高可达95.60%,水通量最高可达1.10×104 L m-2h-1。复合泡沫过滤层经乙醇简单洗涤后即可重复使用,在经历5次循环过滤试验后,乳液分离系统的乳液分离效率随分离时间变化的曲线基本保持一致。经乳液分离系统过滤后的工业含油废水的COD值显著降低,其最