油水分离静电纺纳米纤维气凝胶材料

作为一种新型的三维多孔材料，气凝胶在很多领域都受到了广泛的关注。气凝胶因其孔隙率高、比表面积大、孔道曲折度高等特点，有望进一步提高分离通量，因而在油水分离领域具有应用优势［89］。气凝胶的表面润湿性和孔结构是影响其油水分离性能的两个重要因素，其中表面润湿性影响乳化液滴的聚结和拦截，孔结构决定了其中一相通过气凝胶的渗透速率。

图5-40　（a）超润湿性纳米纤维气凝胶的制备流程示意图；（b）纳米纤维气凝胶的光学照片；（c）～（e）不同放大倍数下纳米纤维气凝胶微观结构的SEM图

图5-41（a）表明所制备的纳米纤维气凝胶具有超疏水—超亲油性。为了进一步观察纳米纤维气凝胶对水的动态润湿行为，用高速摄像系统来记录液滴的黏附和渗透过程，图5-41（b）上图是水滴（3μL）接触并离开气凝胶表面时的动态图像，可以看出水滴离开气凝胶表面时几乎没有变形，表明气凝胶极低的水黏附力。同时气凝胶还展现出了优异的亲油性，如图5-41（b）下图所示，当3μL的油滴（石油醚）接触气凝胶表面时，油滴在6ms内快速铺展且接触角约为0，渗透速率要远高于普通膜材料。

图5-41　（a）气凝胶的亲水疏油性能展示；（b）空气中气凝胶的动态抗水黏附性能展示（上）和油浸润高速摄像照片（下）；（c）分离前后油包水乳液的光学照片和显微镜图片对比；（d）气凝胶的循环使用性能；（e）不同材料的分离通量对比；（f）连续化油包水乳液分离装置(www.xing528.com)

为了测试纳米纤维气凝胶的油水分离性能，以石油醚和水为两相介质，span 80为表面活性剂，配制了稳定的油包水型乳液，乳液中水滴尺寸多在2～10μm。如图5-41（c）所示，将直径为40mm、厚度为5mm的圆柱形气凝胶夹在两个竖直玻璃管之间，将乳液倒入玻璃管内使其在自身重力作用下进行分离，油快速渗流通过气凝胶，同时乳液一旦接触气凝胶就发生反乳化，水被截留在气凝胶上部。从滤液的光学显微镜图片可以看到乳化水滴已完全被去除，并采用卡尔费休水分仪对滤液中的水含量进行了定量测试，结果显示滤液中的水含量仅有50ppm，分离效率高达99.995%。图5-41（d）为纳米纤维气凝胶的循环使用性能，由于气凝胶具有良好的结构稳定性，在10次循环分离乳液后初始通量保持基本不变，表明纳米纤维气凝胶在长期使用过程中具有优异的抗污性能。从图5-41（e）可以看出与传统的超滤膜（驱动压力超过105Pa）相比，气凝胶只在重力作用下就可实现对乳液的快速分离，具有能耗低的优点［90-93］。此外，纳米纤维气凝胶的机械稳定性使其能够通过自吸泵从油/水乳液中连续收集纯油，如图5-41（f）所示，这种新颖的技术使油水乳液分离过程更加简单快速，从而使纳米纤维气凝胶具有更大的实际应用价值。