【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】石油類產(chǎn)品作為全球工業(yè)體系的核心能源，支撐著交通、電力及制造業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，在油品的運(yùn)輸和加工過程中，水分的混入不僅會降低油品質(zhì)量，還會影響設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，開發(fā)新型油中脫水材料及技術(shù)顯得尤為重要。不銹鋼氈因其良好的耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，常被用作油水分離材料。但是，其表面呈惰性，難以改性，導(dǎo)致其潤濕性難以保持長期穩(wěn)定。此外，目前的油水分離方式大多為一次性分離，而在實際應(yīng)用中，油水分離往往涉及更復(fù)雜的方式，例如循環(huán)分離和梯度分離等。對于這些模式的研究仍然相對有限，與這些方法相關(guān)的分離結(jié)果及其背后的機(jī)制尚未得到充分探索。
 

　　近期，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所分離材料與技術(shù)團(tuán)隊人員通過等離子體處理和浸漬法將硅烷偶聯(lián)劑KH550接枝到不銹鋼氈纖維表面，并利用硫磺基三組分偶聯(lián)反應(yīng)負(fù)載氨基化碳納米管(CNT-NH?)，成功制備了具有穩(wěn)定疏水/親油特性的功能性不銹鋼纖維氈(CNT-SSF)(圖1A)。該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的疏水/親油性能，可高通量高效分離多種油水混合物，并且展現(xiàn)出良好的重復(fù)使用穩(wěn)定性。通過機(jī)械壓縮多層CNT-SSF，獲得孔徑可調(diào)的材料，實現(xiàn)了對油包水乳液的梯度分離。研究發(fā)現(xiàn)隨著分離層數(shù)的增加，材料孔徑減小，可以有效限制水滴的通過，顯著提高分離效率。油包水乳液經(jīng)優(yōu)化材料單次分離后變得澄清透明，分離效率超94.6%。并且單層材料循環(huán)分離實驗表明，材料內(nèi)部捕獲的水滴減少了其孔隙結(jié)構(gòu)，有助于下次分離中微小水滴的捕獲，進(jìn)一步提高了材料分離效率。利用GeoDict軟件構(gòu)建隨機(jī)纖維模型，模擬不同層數(shù)SSF對油水乳液的動態(tài)分離過程發(fā)現(xiàn)，隨著SSF層數(shù)增加，水滴捕獲能力增強(qiáng)，允許通過的粒子直徑減小，水滴持續(xù)沉積導(dǎo)致結(jié)構(gòu)壓降逐漸增大。可視化觀察顯示，水滴不僅沉積于表面(圖1B)，部分小尺寸水滴還被內(nèi)部孔道攔截捕獲，驗證了所提表面攔截與內(nèi)部孔隙捕捉機(jī)理的合理性。對比梯度分離方式發(fā)現(xiàn)，多級梯度分離實現(xiàn)了與集成梯度分離相當(dāng)?shù)姆蛛x效率。然而，前者的分離通量比后者高出1倍，這主要是由于后者在分離過程中阻力增加所致(圖2)。
 

　　這一成果通過新的改性方法提高了潤濕性材料的穩(wěn)定性，并采用多種方式分離乳液，探究了材料結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系，對提升材料在油水分離領(lǐng)域的性能表現(xiàn)具有重要的參考價值和借鑒意義。目前，相關(guān)工作發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《分離與純化技術(shù)》(Separation and Purification Technology)上，中國科學(xué)院新疆理化所碩士研究生孔繁琦為第一作者，分離材料與技術(shù)團(tuán)隊的馬鵬程研究員和呂重江助理研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了新疆維吾爾自治區(qū)天池博士計劃、新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金、新疆重點(diǎn)研發(fā)計劃以及上海合作組織國際科技合作計劃等項目的資助。
 

　　圖1 材料制備與結(jié)果驗證(A：CNT-SSF制備示意圖；B：水滴在不同層數(shù)材料表面的熒光圖片)
 

圖2 多級梯度分離與集成梯度分離分離機(jī)理