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多孔超疏水分离膜3D打印工艺

多孔超疏水分离膜3D打印工艺

供稿人:彭刚 田小永   发布日期:2018-05-24
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近百年来,随着工业文明的不断发展,化工生产排放的含油污水及频繁的原油泄漏事故给自然环境带来了严峻的挑战。不仅是人类生活所依赖的陆地河流,大面积的海洋区域也正面临严重的污染问题。目前,多孔材料,如网格状编织纤维、海绵、泡沫、多孔薄膜等,是解决油水分离难题的主要方案,其中多孔微滤薄膜凭借较高的分离效率和体积优势得到更多关注。然而传统的薄膜制造过程中需要消耗、排放大量的有机溶剂,工艺自身就会造成一定的污染,面对以上进退两难的局面,急需发掘新的多孔薄膜制造工艺。

选区激光烧结(selective laser sintering, SLS)是3D打印技术中的一种粉床熔融成形工艺,粉末材料在烧结粘接过程中会形成固有孔隙,但以往SLS工艺研究聚焦于提高烧结的致密度,固有孔隙优势并未得到合理利用。比利时鲁汶大学的研究者Yuan等人采用微米级聚砜(PSU)颗粒为原料,通过SLS成形单层多孔薄膜,如图1,薄膜孔隙率可达30%,水接触角为124°,已经表现为良好的疏水性。

图1多孔薄膜显微图(上、中、下依次为薄膜上表面、截面、下表面;M1、2为不同的工艺条件)

更进一步,研究者通过简单的浸渍法将蜡烛燃烧产生的碳烟包覆在多孔PSU薄膜的表面,获得复合材料超疏水分离膜,水接触角高达160°,如图2a、b,水滴完全被薄膜排斥;同时薄膜具有极佳的亲油性,油滴可以快速渗透到孔隙中,流向下表面,如图2c。在分离实验中,油水分离效率超过99%。此外,研究者验证了复合材料分离膜具有良好的化学稳定性,可以应用于不同的酸碱环境中。

图2 a)复合材料薄膜超疏水示意图 b)水滴实验 c)油滴实验 d)不同液体的接触角 e)不同液滴在薄膜上的形态

这种简单、实用、高效的超疏水油水分离膜的制备方法不但充分发挥了3D打印技术的内在优势,并且具有绿色友好的特点,如果能够得到进一步应用,将对治理水污染和保护生态环境作出特殊贡献。

参考文献:

  1. Shushan Yuan, Dieter Strobbe, Jean-Pierre Kruth, et al. Super-hydrophobic 3D printed polysulfone membranes with a switchable wettability by self-assembled candle soot for efficient gravity-driven oil/water separation [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5: 25401-25409.