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北航江雷院士、衡利苹研究员团队《Matter》:99.7%!仿植物蒸腾的纳米/亚微米乳液含油废水的高效处理!

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

现如今,日常生活、工业生产过程中的含油废水排放量不断增加,已经对饮用水安全、生态环境和人体健康构成严重威胁。据统计,每年处理含油废水所需的费用超过383亿美元。因此,迫切需要开发一种有效且低成本的方法来处理含油废水。传统的含油水处理技术具有效率低、成本高和二次污染的缺点。近年来,尽管人们在开发超湿分离膜方面已经取得了重大进展,但超湿膜只能拦截油滴,不适用于酸、碱和盐离子。因此,仍然需要解决纳/亚微米乳状液含油废水、含油海水和酸碱腐蚀含油废水处理所带来的挑战。

北京航空航天大学衡利苹研究员和江雷院士等人受植物蒸腾作用的启发,开发了一种能靠太阳能驱动的基于木材、聚乙烯醇、羟基化多壁碳纳米管的装置(Wood-PVA-CNT)。该装置对各种纳米/亚微米乳液的含油废水的净化效率高达99.7%。由于具有出色的脱盐能力和强大的耐酸碱性能,该装置实现了从含油海水和酸碱腐蚀含油水中一步生产淡水。因此,该装置的研发提供了一种用于处理含油废水以产生淡水的高效、经济的方法。该研究以题为“Nano/submicrometer-emulsion oily wastewater treatment inspired by plant transpiration”的论文发表在《Matter》上。

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【太阳能驱动净化装置的启发与设计】

植物的蒸腾作用是一个自然过程,其中水分从叶子中蒸发,并与地下水和大气水进行交换。受此启发,作者设计并建造了一个太阳能驱动装置,以多孔轻木和PVA为水传输层,CNTs为水蒸发层(图1)。在净化过程中,油滴会被大量截留。同时,水和离子通过Wood-PVA连续泵送到蒸发层。在太阳辐射下,水被加热为清洁蒸气,仅留下离子。冷凝并收集水蒸气后,将获得淡水,从而完成了含油废水的一步纯化。制备工艺上首先将木块浸入PVA溶液中,使得PVA很容易地渗透到木材通道中(图2)。将样品进行冷冻干燥,使得木材中的通道被多孔的PVA完全填充。最后,在Wood-PVA的表面上涂覆一层CNT,干燥后得到Wood-PVA-CNT。

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图1装置示意图

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图2装置的制备及其微观结构

【纳米级油性乳液的净化】

作者选择了一种纳米/亚微米乳液作为模型油状水,以系统地评估净化装置的性能,该乳液的油滴半径小于500nm(图3A)。为了估计净化率,作者用天平实时监测纳米/亚微米乳液的质量,从其质量变化曲线的斜率获得净化率(图3B)。由于多孔结构,天然木材和Wood-PVA样品的净化率分别为0.77和0.86 kg m-2 h-1。涂覆CNT后,Wood-CNT和Wood-PVA-CNT的净化率分别提高到1.21和1.35 kg m-2 h-1。为了进一步评估Wood-PVA-CNT的净化性能,作者仔细测量了原始乳液和收集水中有机碳(TOC)含量(图3D)。结果表明,原始乳液和收集水的TOC值分别为9,832.1±299.4和13.7±2.1 mg L-1,净化效率高达99.8%。

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图3净化纳米级油性乳液的能力

【净化装置的通用性】

为了验证该净化装置的广泛适用性,作者制备了一系列纳米/亚微米乳液。净化结果表明(图4A),该装置对于大豆油、十六烷、正癸烷和正辛烷乳液的净化效率分别为99.9%、99.9%、99.8%和99.7%。其高净化效率表明,该装置可以有效地净化各种类型的纳米/亚微米乳化油性水。作者还研究了该装置表面在酸、碱水下油类接触角的变化(图4C),发现接触角均大于150°,表明该装置在宽的pH范围内具有足够的耐受性,并且pH值为1、3、5、7、9、11和13的含油水的净化效率为99.5%–99.8%(图4D)。考虑到累积盐的去除,作者将装置清洗后,其净化率几乎没有变化。经过20个循环后,该装置的外观或水下超疏油性几乎没有变化。以上结果表明,该装置具有优异的可回收性和稳定性。

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图4含油废水净化装置的通用性

总结:作者受植物蒸腾作用的启发,成功实现了纳米/亚微米乳化油性海水和酸碱腐蚀油性水的一步处理以生产淡水。通过将超润湿性、多孔结构和高光吸收性相结合,该由太阳能驱动的Wood-PVA-CNT装置可以在99.7%的效率下完全处理稳定的纳米/亚微米乳液油性水。此外,该设备还具有出色的长期稳定性和出色的可回收性。这种太阳能驱动的水处理装置为处理含油纳/亚微米乳状液废水、含油海水和酸碱腐蚀含油废水提供了一种有效途径,并为从各种含油废水中一步生产淡水提供了可行性。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521000175

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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