油水乳狀液是一種常見的含油廢水，廣泛存在于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，排放前必須進行處理。由于這些傳統(tǒng)工藝的天然缺陷:容易被油污染而阻塞和污染膜和聚結(jié)劑，操作能耗和破乳劑成本高，或頻繁更換吸附劑，因此難以實現(xiàn)廉價和滿意的乳狀液處理。
近日，四川大學(xué)蔣煒教授課題組在期刊ACS Applied Materials & Interface上發(fā)表題為“Universal Rapid Demulsification by Vacuum Suction Using Superamphiphilic and Underliquid Superamphiphobic Polyurethane/Diatomite Composite”的文章。該論文報告了一種基于超浸潤材料對油水乳液進行連續(xù)破乳及油水分離的過程，提出了超浸潤三維多孔聚氨酯/硅藻土（PU-硅藻土）預(yù)破乳裝置，構(gòu)建了一套具有工業(yè)應(yīng)用前景的基于超浸潤材料的連續(xù)油水分離裝置和基于該裝置的分離工藝，實現(xiàn)了油水混合物穩(wěn)定、高效、連續(xù)破乳和分離，為工業(yè)含油廢水規(guī)；统杀究焖偬幚硖峁┝艘粭l可借鑒思路。文章的通訊作者為四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院蔣煒教授。
圖1 使用三維超親水/超親油PU-硅藻土進行連續(xù)油水破乳分離的工藝示意圖
本文要點
1）聚氨酯/硅藻土的浸潤性表征
論文首先對硅藻土、PU膠水和PU-硅藻土在空氣中對水和油的潤濕行為進行了探究。結(jié)果如圖2所示，經(jīng)過固化后進行接觸角測試，硅藻土的WCA為105±4°，OCA為3±1°；PU膠水的WCA為56±3°，OCA為11±2°；而PU-硅藻土的WCA和OCA都為0°。
圖2 PU/硅藻土的潤濕性: (a) 硅藻土、PU、PU/硅藻土的油/水接觸角; (b) 水下超疏油性；(c) PU/硅藻土的油下超疏水性
2）針對無表面活性劑的油水乳液
基于上述超浸潤三維多孔PU-硅藻土對多種無表面活性劑的油水乳液進行研究。無表面活性劑水包煤油（圖3a）和煤油包水（圖3b）乳液經(jīng)過PU-硅藻土破乳后連續(xù)相的透過率大均于乳液，并與未乳化前的連續(xù)相的透過率基本一致，說明PU-硅藻土能實現(xiàn)無表面活性劑的水包油和油包水乳液完全破乳。如圖3c-d所示，無表面活性劑水包煤油和煤油包水乳液呈乳白色乳液狀，在顯微鏡下都能清楚觀測到許多小液滴。經(jīng)過PU-硅藻土破乳后濾液均澄清透明，連續(xù)相在同等倍數(shù)顯微鏡下并未觀測到任何小液滴，證實PU-硅藻土可以實現(xiàn)無表面活性劑油水乳液完全破乳。
圖3無表面活性劑：(a)水包煤油和(b)煤油包水乳液破乳前后的透過率；水包煤油(c)和煤油包水(d)乳液前后實物圖和顯微鏡圖
3）針對含表面活性劑的油水乳液
含有表面活性劑的乳液分離難度加大，表面活性劑穩(wěn)定的水包煤油乳液（圖4a）和煤油包水乳液（4b）經(jīng)PU-硅藻土破乳后，連續(xù)相的透過率均大于原乳液，與未乳化的連續(xù)相的透過率基本一致，意味著PU-硅藻土具備實現(xiàn)表面活性劑穩(wěn)定的油水乳液完全破乳的能力。圖4c和圖4d分別展示了表面活性劑穩(wěn)定的水包煤油和煤油包水乳液均呈乳白色乳液狀，在顯微鏡下均可以清楚觀測到大量小乳滴。經(jīng)過PU-硅藻土破乳，濾液均澄清透明，在同等倍數(shù)顯微鏡下并未觀測到濾液連續(xù)相有任何小液滴，證實PU-硅藻土可以實現(xiàn)表面活性劑穩(wěn)定的油水乳液完全破乳。因此，通過上述結(jié)果證實PU-硅藻土能實現(xiàn)無表面活性劑以及表面活性劑穩(wěn)定的油水乳液完全破乳。
圖4 含表面活性劑穩(wěn)定的乳液：水包煤油(a)和煤油包水(b)乳液破乳前后連續(xù)相和煤油的透過率；水包煤油(c)和煤油包水(b)乳液前后實物圖和顯微鏡圖
4）聚氨酯/硅藻土的破乳機理
破乳過程機理如圖5所示，在典型的破乳過程中，由于PU/硅藻土強大的吸附作用，無論是水還是油作為連續(xù)相首先與PU/硅藻土接觸，在其表面迅速擴散，形成穩(wěn)定的液體膜。其次，剩余的連續(xù)相和分散相均能到達濕法PU/硅藻土，但前者由于其含量更高，接觸概率遠高于后者。因此，連續(xù)相的膜不斷補充，在外力的驅(qū)動下沿著PU/硅藻土表面流過濾餅。并且PU-硅藻土油下超疏水性導(dǎo)致復(fù)合材料表面對連續(xù)相與分散相的相互作用力存在差異。兩種液相在多孔復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)中以不同的方式運動，PU/硅藻土材料粗糙表面和濾餅多孔結(jié)構(gòu)促進了微小分散相液滴的結(jié)合，真空吸力提供了恒定的外力，保證了濾餅的穩(wěn)定通量。這些機制共同作用，使破乳效果普遍穩(wěn)定，并具有可接受的抗油垢能力。
5）油水乳液連續(xù)分離
將具有超疏水雙層波紋通道結(jié)構(gòu)的油水分離器，通過蠕動泵與吸入過濾裝置連接，形成破乳分離裝置，實現(xiàn)乳化液的完全分離。結(jié)果顯示，除初始階段外，該裝置的分離效率均保持在99.5%以上，證實了破乳分離裝置的操作穩(wěn)定性。連續(xù)運行結(jié)果表明，破乳分離裝置配合PU/硅藻土作為破乳核心材料，能夠穩(wěn)定分離油水乳狀液。油包水乳液和油包水乳液在真空壓力和流量恒定的條件下長期穩(wěn)定運行，不受油垢的嚴(yán)重影響。分離后的水和油分別可視為可排放廢水和可回收油。聚氨酯/硅藻土在工業(yè)、環(huán)保和日常生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖6 連續(xù)破乳分離工藝:(a) 收集水透光率; (b) 水包煤油乳化液48 h的乳化液通量和乳化液分離效率; (c) 采集煤油的透光率; (d) 48 h水-煤油乳化液的乳化液通量和乳化液分離效率。
原文鏈接：
Pan Wu, Qiuxian Luo, Qiuxian Luo, Xingyang Zhang, Jian He, Changjun Liu, and Wei Jiang*, Universal rapid demulsification by vacuum suction using superamphiphilic and underliquid superamphiphobic polyurethane/diatomite composites, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, XXXX, XXX, XXX-XXX
https://doi.org/10.1021/acsami.2c03967
作者簡介：
蔣煒教授，四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院先進材料工程化研究組負責(zé)人，從事科研領(lǐng)域為化學(xué)工藝與工業(yè)催化，近五年主要科研方向為化工先進材料工程化，通過開發(fā)新型超浸潤材料、光催化劑和工業(yè)催化劑吸附劑材料，進行工業(yè)廢水處理、化工過程強化和多相反應(yīng)研究。
