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1、2013年第58卷第33期：3372~3380《中国科学》杂志社自然科学基金项目进展专栏评述www.scichina.comcsb.scichina.comSCIENCECHINAPRESS特殊浸润性表面在油水分离中的应用**张靓,赵宁,徐坚中国科学院化学研究所,高分子物理与化学实验室,北京100190*联系人,E-mail:zhaoning@iccas.ac.cn;jxu@iccas.ac.cn2013-01-18收稿,2013-04-10接受,2013-11-11网络版发表国家自然科学基金委员会创新研究
2、群体科学基金(21121001)和国家重点基础研究发展计划(2013CB933000)资助摘要表面浸润性是固体表面的重要性质之一.近年来,包括超疏水表面、超亲水表面和超亲关键词油表面在内的特殊浸润性表面在日常生活和工业生产中具有的广阔的应用前景,引起了研究浸润性者的广泛关注,其中特殊浸润性表面在油水分离中的应用是研究热点之一.油水分离技术在化油水分离学化工领域有着重要影响,例如原油泄漏的回收和有机试剂的分离等.由于一般情况下油和水超疏水超亲水表面张力不同,可以选择对油和水亲和力不同的表面对其进行分离,通过使
3、表面具备特殊浸润超亲油性,从而增强油水分离效率.本文从(1)超疏水超亲油表面,(2)水下超亲油表面和(3)可逆转变表面3部分总结了特殊浸润性表面用于油水分离的研究进展,并对本领域目前的研究难点和未来的研究方向进行总结和展望.表面浸润性是固体表面的重要性质之一,一般近年来特殊浸润性表面的研究引起了广泛的关用接触角、滚动角或接触角滞后表征.接触角是指注.特殊浸润性表面的制备主要涉及到表面粗糙度[1~3]在气、液、固三相接触线处沿气液界面所作的切线的构筑和表面化学修饰.特殊浸润性表面在日常与固液界线之间的夹角,反
4、映了液体在固体表面的生活和工业生产中都有着重要的应用,例如建筑外铺展程度;滚动角为表面上的液体随表面倾斜角的墙、织物表面的自清洁表面,眼镜和窗户上的防雾涂[4,5]增大而开始运动时的临界倾斜角;接触角滞后指三层,以及管道表面的减阻涂层.此外,特殊浸润相接触线向前、向后发生移动时的临界角(分别称为性表面在防腐防污、防结冰、生物医药、能量储存方[6,7]前进角和后退角)的差值,二者反映了液体脱离固体面也有着广阔的应用前景.利用表面特殊浸润性表面的难易程度.表面浸润性与表面的微观结构和进行油水分离是当前材料科学研
5、究的一个热点问题.化学组成有关.固体表面自由能越低,越不易被液油水分离技术在石油化工等领域有着重要的影响,体浸润;反之,表面自由能越高,则越易被浸润;包括海面污油、采油废水的回收、有机溶剂的分离等.而表面微结构对其浸润性有增强的作用.通过表面由于一般水和油之间的表面张力相差很大,选择对微观结构和化学组成的共同作用,可以得到具有特水和油浸润性不同的表面可以选择性对其中一相进殊浸润性的表面,例如超疏水、超亲水、超亲油表行吸附,对另一相排斥,增强表面的浸润性可以提高面等.一般当水滴的接触角大于150°,滚动角小于
6、分离效率.本文主要从(1)超疏水超亲油表面,(2)10°时,可以称该固体表面为超疏水表面;当水滴/水下超亲油表面,和(3)超亲超疏可逆转变表面3部油滴的接触角接近于0°时,可以称之为超亲水/超亲分总结目前特殊浸润性表面在油水分离应用方面的油表面.研究进展.引用格式:张靓,赵宁,徐坚.特殊浸润性表面在油水分离中的应用.科学通报,2013,58:3372–3380ZhangL,ZhaoN,XuJ.Surfaceswithspecialwettability:Applicationsinoil/watersepa
7、ration(inChinese).ChinSciBull(ChinVer),2013,58:3372–3380,doi:10.1360/972013-93评述1超疏水超亲油表面Wenzel理论认为表面的粗糙度可以增强固体表[8]面的浸润性,根据Wenzel方程:*cosθ=γcosθ,其中θ为液滴在固体表面的本征接触角,γ为粗糙度*系数,θ为表观接触角.对于水滴的本征接触角大于90°的表面,在粗糙度达到一定程度时,水滴的接触角可大于150°;由于油的表面张力低,若在同一表面的油本征接触角小于90°,则粗糙
8、度增大后,油滴的接触角接近为0°.超疏水超亲油的表面可以有效对油进行吸附,进而对油水混合物实现分离.1.1超疏水网图1(a),(b)聚四氟乙烯修饰的超疏水不锈钢网的SEM照片;(c)水滴在超疏水网上照片;(d)柴油穿过超疏水网[9]Jiang研究组首次利用超疏水超亲油的网状结照片[9]构进行油水分离.他们将聚四氟乙烯(PTFE)乳液在压缩空气下喷于孔洞直径为115μm的不锈钢网的表Wang等人[17]发现所制备的
