全能“两面神”棉织物过滤器:高速高效分离离子型和非离子型表面活性剂稳定的油水乳液

高分子科学前沿2019-06-11 04:02:07

农业、化妆品和食品工业等行业与石油化工等工业中经常产生大量乳液,这些乳液大部分是由非离子型表面活性剂稳定。人们不断研究商业化分离油水乳液的方案,然而高效低成本的分离方法仍有待探索。近日,加拿大女皇大学(Queen's University)刘国军(Guojun Liu)教授的研究团队成功制备了一种通用型 “两面神”Janus滤膜,实现了对离子型与非离子型表面活性剂稳定的水包油乳液和油的高效分离。

团队先前曾报导过两代“两面神”棉织物用于对离子型表面活性剂稳定的油水乳液分离,基本分离原理是在棉织物的一面上接上带电荷聚合物,聚合物上的电荷能屏蔽乳液中离子型表面活性剂所带电荷,使油滴聚集后选择性通过棉织物,而水则被另一侧所修饰的疏水型聚合物,如文章用用到的PDMS,阻挡,从而实现油水分离(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55(4), 1291-1294; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 128 (47), 14610-14613)。然而,电荷屏蔽效应对非离子型表面活性剂通过排斥作用稳定的乳液无效。为了解决这个问题,团队制备了新一代“两面神”棉织物,这代“两面神”棉织物能用于离子型与非离子型表面活性剂稳定的油水乳液的分离。

之所以将这种滤膜称为“两面神”滤膜,是因为它同时具有疏水性与表面吸附的功能。通过在滤膜一面的表面上接上表面活性剂分子,例如文章中提到的聚乙二醇单月桂酸酯,这层表面活性剂分子可以和稳定乳液、包裹在油滴表面的表面活性剂分子竞争,当滤膜表面上的表面活性剂分子密度最优化时,油滴会被这层表面活性剂分子吸附,从而在滤膜表面聚集,在毛细力的作用下透过滤膜,而由于另一侧的超疏水性,水则会被阻挡,从而实现油水分离。

团队合成了两种热固化型聚合物:P1-g-EL 与P2-g-PDMS(结构见下图),并分别将两种聚合物接在滤膜的两面。制备过程如下:首先将棉织物在P2-g-PDMS溶液中浸泡至吸附饱和状态,随后将浸泡后的棉织物在170 ℃的表面上加热使聚合物交联固化,而棉织物的上层则用80的水冷却防止聚合物交联。3小时后棉织物厚度一半的聚合物发生交联,而未被固化的聚合物则通过热THF洗去。这时,将棉织物半成品浸泡于P1-g-EL溶液中,取出后接着在170 ºC的烘箱中加热3小时。

这种通过具有表面活性剂的固体来吸附乳液颗粒从而实验油滴聚集的分离机理从来未被报导过。同时,高分子表面活性剂在上世纪70到90年代曾被广泛研究,但在之后很长一段时间则淡出了人们的视线。这项研究提出了高分子表面活性剂的一项全新应用。

总而言之,新一代“两面神”棉纺织物能成功分离离子型和非离子型表面活性剂稳定的水包油乳液,大大拓宽了“两面神”棉纺织物的应用范围;同时为高分子表面活性剂的应用提供了另一种思路。显而易见,如果在将来能简化这种“两面神”棉纺织物的制备过程,它将能大范围地应用于生活与工业中。

相关进展:

◇ 新型油水分离器——“两面神”棉织物

◇ 光固化抗污涂料:五分钟速成自清洁膜

 

参考文献:

Liu G, Wang Z, Lehtinen M. Universal Janus Filters for the Separation of Oil from Emulsions Stabilized by Ionic or Nonionic Surfactants[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2017.doi:10.1002/anie.201706158


来源:高分子科学前沿

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