纖維素氣凝膠在油水分離領(lǐng)域的研究進(jìn)展

武煜航,黃子淳,沈 烈

(浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系,浙江 杭州 310000)

1 前 言

石油作為一種重要的能源物資,在開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生泄漏,這不僅會(huì)大規(guī)模污染海洋和生態(tài)系統(tǒng),還可能威脅到人類生活,對(duì)漁業(yè)造成顯著影響和重大經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。這樣的事故每年都有發(fā)生,例如,2010年4月美國(guó)墨西哥發(fā)生石油泄漏,泄漏總量高達(dá)490萬(wàn)桶,約78×105m3,這些泄露的石油會(huì)對(duì)水資源造成巨大的破壞,受到污染的水資源量高達(dá)泄漏石油總量的幾千倍。油輪、海上平臺(tái)、鉆井平臺(tái)和油井的原油泄漏不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染,還會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。因此原油泄漏已成為全球最大的環(huán)境問(wèn)題之一,引起公眾的廣泛關(guān)注[3]。

極少量的石油泄漏就會(huì)對(duì)大量的自然水資源造成污染,對(duì)環(huán)境造成重大破壞。為解決這一問(wèn)題,研究人員已經(jīng)使用多種方法處理石油泄漏造成的油水混合污染物[4]。目前,油水分離主要有物理分離、化學(xué)分離和生物分離三種方法[5]?；瘜W(xué)法一般采用化學(xué)活性劑對(duì)油水混合物進(jìn)行處理或直接燃燒,但其有二次污染的潛在可能,如燃燒時(shí)排放的廢氣,以及污染的活性劑的回收處理問(wèn)題[6]。生物法一般利用生物材料降解污染物,沒(méi)有二次污染,但高昂費(fèi)用限制了其應(yīng)用[7]。物理法可循環(huán)性好,環(huán)境友好,操作方便,是目前油水分離最有效的方法。物理法主要通過(guò)多孔吸附材料簡(jiǎn)單、快速、高效地分離油水混合物,因而該方法引起了研究者的關(guān)注。但目前常用的活性炭、沸石等材料的吸附性能和吸附后的回收問(wèn)題尚未找到合適的解決辦法。氣凝膠可通過(guò)簡(jiǎn)單的擠壓步驟回收被吸收的油,是一種在油水分離領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景的高孔隙率吸附材料[8]。

氣凝膠是一種密度最低的、以氣體為分散相的固體材料。氣凝膠是濕凝膠中液相被氣體取代得到的一種三維多孔材料,具備許多其本體材料不具備的如導(dǎo)熱系數(shù)低、密度低、隔聲性能好、孔隙率高、高比表面積等優(yōu)異性能[9-10]。1931年,Kistler等[11]以水玻璃水解得到的SiO2水凝膠超臨界干燥,制得第一塊SiO2氣凝膠。最初,硅氣凝膠、金屬氣凝膠、間苯二酚甲醛氣凝膠、碳?xì)饽z和復(fù)合氣凝膠首先被研究,在催化、儲(chǔ)能、隔熱、吸附等領(lǐng)域取得了廣泛的關(guān)注[12-13]。但這些早期的氣凝膠材料由于質(zhì)地易碎,很難用于油水分離領(lǐng)域。在過(guò)去的幾年里,創(chuàng)新類型的氣凝膠,如碳納米管(CNT)氣凝膠、石墨烯氣凝膠、高分子氣凝膠的出現(xiàn)使氣凝膠在油水分離領(lǐng)域應(yīng)用中取得了重大進(jìn)展。纖維素氣凝膠因其獨(dú)特的可降解性,易于回收,近年來(lái)成為氣凝膠領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。纖維素氣凝膠來(lái)源廣泛,而且對(duì)環(huán)境友好,是一種可降解能力優(yōu)異的材料[14]。本文綜述了近年來(lái)纖維素氣凝膠在油水分離領(lǐng)域研究進(jìn)展,介紹了以纖維素為原料的氣凝膠的制備工藝,以及其在油水分離領(lǐng)域的應(yīng)用。展望了纖維素氣凝膠在油水分離領(lǐng)域的發(fā)展前景。

2 纖維素氣凝膠的制備工藝

傳統(tǒng)氣凝膠材料主要通過(guò)溶膠-凝膠法制備得到。例如SiO2氣凝膠,前驅(qū)體在催化劑作用水解或聚合,得到凝膠體系,將濕凝膠內(nèi)溶劑除去得到氣凝膠材料[15]。在凝膠體系內(nèi)部固體顆?；蚓酆衔锎蠓肿渔溡匀S網(wǎng)絡(luò)的形式分散在溶劑之中。但由于濕凝膠中固體含量極低,在常規(guī)干燥過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生收縮和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的坍塌,這極大地影響了氣凝膠材料的多孔結(jié)構(gòu)和性能。為解決這一問(wèn)題,冷凍干燥法和超臨界氣體干燥法被應(yīng)用于氣凝膠材料的制備,這些方法能夠在盡可能保存三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下干燥凝膠得到氣凝膠材料。

2.1 未經(jīng)處理的纖維素氣凝膠

大多數(shù)纖維素氣凝膠的制備方法與傳統(tǒng)氣凝膠相似。纖維素氣凝膠的制備主要包含兩個(gè)步驟:溶膠-凝膠和干燥。Gavillon等[16]將低分子量微晶纖維素溶解于NaOH 溶液之中,通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的p H 值與溫度,使纖維素分子鏈上的-OH 之間形成氫鍵,從而得到纖維素水凝膠,凝膠內(nèi)部的纖維素分子鏈依靠氫鍵作用和物理纏結(jié)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨后通過(guò)超臨界CO2氣體干燥技術(shù)得到孔隙率為95%的纖維素氣凝膠。Wang等[17]研究發(fā)現(xiàn)8%(w/w)氯化鋰/二甲基亞砜(LiCl/DMSO)溶液能較好地溶解乙二胺(EDA)和纖維素形成的結(jié)合物。13C NMR 證明纖維素能良好溶解。隨后使用乙醇凝析得到半透明的纖維素凝膠,再利用溶劑交換-超臨界CO2氣體干燥得到孔徑為10～60 nm 的介孔纖維素氣凝膠。

2.2 表面疏水纖維素氣凝膠的制備

纖維素表面含有大量-OH,親水性好。然而,油的表面能低于水,所以油在氣凝膠表面的接觸角小于水在氣凝膠表面的接觸角,通常親水性好的纖維素氣凝膠表面親油性也較好。除此之外未經(jīng)修飾的纖維素氣凝膠表現(xiàn)出強(qiáng)度低,易碎,在水中難以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的缺點(diǎn)。以上種種原因都限制了纖維素氣凝膠在油水分離領(lǐng)域的應(yīng)用。為提高纖維素氣凝膠材料的油水分離效率,大部分使用于油水分離的氣凝膠會(huì)進(jìn)行表面疏水化處理?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)[18]是最早被應(yīng)用于氣凝膠表面改性的方法。Rafieian等[19]將2.4 wt%的纖維素納米纖維(cellulose nanofiber,CNF)水溶液稀釋至不同的濃度(0.6/0.9/1.2 wt%),后使用液氮(-196 ℃)將膠狀液迅速冷凍固化,在凍干機(jī)中進(jìn)行冷凍干燥得到纖維素氣凝膠。采用“杯中杯”的設(shè)計(jì)避免氣凝膠與十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)直接接觸。在10 m L小杯中裝入3 m L HDTMS,氣凝膠置于小杯頂,最后把大杯放入155 ℃的烘箱中1 h進(jìn)行氣相沉積,真空干燥除去未反應(yīng)的硅烷。表面改性前后氣凝膠的孔隙率分別為99.3%和99.1%,可知孔隙率并未受改性影響(圖1)。

圖1 氣凝膠制備與改性示意圖[19]Fig.1 A schematic representation of aerogel preparation and modification[19]

CVD 法操作復(fù)雜,能耗大,與之相比,溶液浸漬法操作簡(jiǎn)單,能耗低,近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于氣凝膠材料的表面改性。常用的表面改性劑主要有硅烷類(三甲基氯硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基三氯硅烷、甲基三甲氧基硅烷、聚倍半硅氧烷等)、聚氨酯、聚多巴胺等。Zhang等[20]對(duì)竹粉進(jìn)行化學(xué)處理(包括酸化亞氯酸鈉、2%/5%氫氧化鉀、2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)),除去木質(zhì)素和半纖維素,得到納米尺度纖維素懸浮液。在纖維素懸浮液中加入甲基三甲氧基硅烷(MTMS),利用液氮定向冷凍技術(shù)將混合均勻的混合液迅速冷凍。定向冷凍能夠使冰晶沿溫度梯度方向生長(zhǎng)得到具有各向異性的氣凝膠孔隙結(jié)構(gòu)(圖2)。與傳統(tǒng)各向同性氣凝膠相比,各向異性氣凝膠在性能上發(fā)生了很大改變。在平行和垂直冰晶生長(zhǎng)方向上性能截然不同,垂直方向上的大通孔能夠更加快速傳遞吸收物,使油水分離效率得到很大提升。平行方向上由于片層結(jié)構(gòu),各向異性氣凝膠的壓縮和恢復(fù)性能都較原來(lái)的氣凝膠有一定提升[21]。

圖2 改性PVA/纖維素氣凝膠的合成機(jī)理[20]Fig.2 Mechanism scheme for the synthesis of modified PVA/CNF aerogels[20]

Phanthong等[22]使用硬脂酰氯、乙腈、三乙胺對(duì)纖維素進(jìn)行表面改性,將纖維素表面的-OH 被酯化,得到表面疏水的纖維素氣凝膠。Ma等[23]利用高碘酸氧化法將纖維素表面的-OH 部分醛化后使之與NHNH2-BDC-NHNH2進(jìn)行反應(yīng),隨后用乙醇進(jìn)行溶劑交換,經(jīng)超臨界CO2氣體干燥得到氣凝膠。Sai等[24]將細(xì)菌纖維素(bacterial cellulose)水凝膠用水/叔丁醇進(jìn)行溶劑置換,直接冷凍干燥得到細(xì)菌纖維素氣凝膠(BCAs)。BCAs被浸漬于含有三甲基氯硅烷(TMCS)和三乙胺(TEA)的二氯甲烷溶劑中進(jìn)行接枝改性,得到表面疏水化的氣凝膠。

2.3 表面親水的纖維素氣凝膠的制備

由于水會(huì)破壞纖維間的氫鍵,并且纖維間的物理纏結(jié)在水溶液中也能被解開(kāi),所以直接使用纖維素制備出的氣凝膠在水溶液中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。使用交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)是一個(gè)很好的增強(qiáng)纖維素穩(wěn)定性的途徑。Kim 等[25]使用從紙漿中得來(lái)的CNFs,以順丁烯二酸為改性劑,以次磷酸鈉為催化劑,在140℃進(jìn)行表面順丁烯二酸功能化,得到表面順丁烯二酸功能化纖維素(CNF-MA)。在170 ℃以次磷酸鈉為交聯(lián)劑將改性后的CNF-MA 交聯(lián),最終得到順丁烯二酸表面功能化的纖維素水凝膠,用液氮快速冷凍后,再經(jīng)冷凍干燥得氣凝膠。交聯(lián)后的氣凝膠在干燥狀態(tài)和水溶液中均有良好的壓縮性能,其壓縮模量提升了40%,且遇水后結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞。同時(shí)發(fā)現(xiàn),干燥的氣凝膠壓縮后形狀回復(fù)速度很慢,而交聯(lián)后的氣凝膠在吸水狀態(tài)下能在30 s內(nèi)回復(fù)到原來(lái)尺寸的70%。Liu等[26]使用1,4-丁二醇二縮水甘油醚作為交聯(lián)劑,制備出具有化學(xué)交聯(lián)的氣凝膠,同樣只在吸水狀態(tài)下具有快速回復(fù)特性。Zhang等[27]認(rèn)為壓縮后氣凝膠的回復(fù)行為主要是由于水與纖維之間的相互作用,當(dāng)被壓縮的交聯(lián)纖維素氣凝膠吸水時(shí),纖維素向拉伸方向擴(kuò)展,形狀回復(fù)。交聯(lián)的氣凝膠中連接點(diǎn)的存在使纖維素的拉伸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)膨脹。

除了可直接制備氣凝膠外,纖維素還可與其他材料復(fù)合得到纖維素基復(fù)合氣凝膠。常用的復(fù)合材料有:聚乙烯醇(PVA)、殼聚糖、納米顆粒等[28-30],纖維素與其中的一種或多種復(fù)合得到復(fù)合氣凝膠材料。復(fù)合材料在兼有多種材料功能的同時(shí),也可被賦予新的性能。Zhou等[29]利用纖維素、PVA、明膠,按照一定比例制備得到一種親水性良好的氣凝膠(圖3)。PVA 和明膠的加入使得氣凝膠的密度由0.024 g/m3增加至0.057 g/m3,但仍屬于低密度材料。與此同時(shí),聚合物的加入使氣凝膠的力學(xué)性能發(fā)生改變,氣凝膠變得不再易碎且擁有很好的可壓縮性和變形能力,可被壓縮至原高度的60%并回復(fù),同時(shí)壓縮模量也提升為純纖維素氣凝膠的9.2倍。

圖3 PVA/CNF/明膠氣凝膠制備過(guò)程示意圖[29]Fig.3 Schematic representation of the process to prepare the PVA/CNF/Gelatin aerogels[29]

Li等[31]將纖維素分散于NaOH/乙醇溶液中,調(diào)節(jié)p H 值使其凝膠化,隨后以高碘酸鈉(NaIO4)為氧化劑,將纖維素凝膠部分氧化,得到氧化纖維素凝膠。凝膠被浸漬于殼聚糖的乙酸溶液(2 wt%)中,殼聚糖與纖維素交聯(lián)得到殼聚糖-氧化纖維素水凝膠,隨后經(jīng)過(guò)冷凍干燥得到氣凝膠。最終得到的氣凝膠材料具有良好的彈性,密度平均為0.03 g/m3,孔隙率高達(dá)99.07%。

2.4 其他類型的纖維素氣凝膠的制備

磁性顆粒Fe3O4同樣經(jīng)常被用于氣凝膠材料。由于其具有獨(dú)特的磁性能,含有磁性顆粒的氣凝膠可以方便地被收集后重復(fù)使用。Chin等[33]將纖維素溶于NaOH/硫脲/尿素的混合溶液,同時(shí)將Fe3O4納米顆粒均勻分散在溶液中,隨后使用乙醇進(jìn)行溶劑交換得纖維素凝膠。若Fe3O4顆粒良好的分散于纖維素溶液中,待溶液凝膠化后,Fe3O4顆粒也會(huì)原位分布在纖維素凝膠中。經(jīng)超臨界-CO2氣體干燥得到的磁性氣凝膠中后,Fe3O4顆?？梢栽跉饽z中分布均勻。用四異丙醇鈦對(duì)氣凝膠進(jìn)行表面疏水改性,使TiO2包覆在氣凝膠表面,不僅賦予其表面疏水性,同時(shí)能夠?qū)e3O4顆粒保護(hù)起來(lái)。Peng等[34]將Fe3O4顆粒通過(guò)化學(xué)沉積法包覆在纖維素氣凝膠表面,隨后用十六烷基三乙氧基硅烷對(duì)氣凝膠進(jìn)行表面改性,得到的氣凝膠具有很高的吸油能力且易于回收循環(huán)。

SiO2顆粒不僅可以增加氣凝膠的粗糙度,還能提升氣凝膠的比表面積。He等[35]將細(xì)菌纖維素氣凝膠浸沒(méi)在SiO2水溶膠中,采用真空輔助使SiO2溶膠進(jìn)入氣凝膠內(nèi)部孔隙,再進(jìn)行二次凍干使SiO2溶膠變成氣凝膠狀態(tài),最終得到互穿網(wǎng)絡(luò)氣凝膠結(jié)構(gòu)(IPN)。該復(fù)合氣凝膠結(jié)合了兩種單組分氣凝膠的特點(diǎn),具有非常優(yōu)異的可壓縮性能,吸收完成后,只需擠壓便可釋放吸收物,達(dá)到再循環(huán)利用的目的。

3 纖維素氣凝膠在油水分離領(lǐng)域的應(yīng)用

由于吸水后纖維素與水之間形成的氫鍵破壞了原纖維素分子之間的作用力,氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞,力學(xué)性能差,故而不能被用來(lái)進(jìn)行油水分離。纖維素需要進(jìn)行表面疏水改性或交聯(lián)才能在油水分離領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

3.1 親油疏水氣凝膠材料

硅烷偶聯(lián)劑是常用的纖維素修飾劑。Li等[31]將源于玉米秸稈的纖維素材料制成氣凝膠之后,使用CVD 法將其表面硅烷化。修飾后的氣凝膠表面水接觸角為152°,其對(duì)原油和各種有機(jī)物的吸收能力在17～45倍自重不等。表面烷基化的氣凝膠材料能夠直接浸沒(méi)于油水混合物之內(nèi),在30 s內(nèi)將5 m L 油吸收完畢。Guan等[36]采用化學(xué)處理法對(duì)蜂窩狀木材處理,除去木質(zhì)素與半結(jié)晶纖維素,得到各向異性的片層結(jié)構(gòu)纖維素海綿,并用CVD 法將其硅烷化,得到的纖維素海綿孔隙率為97.1%,可壓縮性好,并且具備自回復(fù)能力(圖4)。硅烷化將纖維素海綿表面由親水親油轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油疏水,水接觸角達(dá)到152°。經(jīng)過(guò)10次吸收-壓釋循環(huán)后,纖維素海綿對(duì)油的吸收能力仍能穩(wěn)定在24.5 g/g(圖5)。由于出色的力學(xué)性能,纖維素海綿可直接與收集裝置相連進(jìn)行連續(xù)的油水分離工作,這是其他氣凝膠很難做到的。

圖4 木質(zhì)纖維素海綿的形貌與結(jié)構(gòu) (a)天然木材的照片、橫截面SEM 照片、蜂窩狀室壁表面;(b)脫木質(zhì)素木材的照片、橫截面SEM 照片、蜂窩狀室壁表面;(c)木質(zhì)纖維素海綿的照片、橫截面SEM 照片、蜂窩狀室壁表面[36]Fig.4 Morphology and structure of different wood samples,(a)Photograph of the natural wood and its cross-sectional SEM images showing;(b)Photograph of the delignified wood and its SEM images exhibiting delamination of the internal structure with exposed cellulose nanofibers in the cell wall;(c)Photograph of the wood sponge and its SEM images revealing the spring-like lamellar structure and the densely-packed cellulose nanofibers in the stacked layer[36]

圖5 硅烷化木質(zhì)纖維素海綿的吸油能力 (a)吸收浮于水表面的硅油(紅);(b)吸收沉沒(méi)水底的二氯甲烷(紅);(c)木質(zhì)纖維素海綿對(duì)各類油和有機(jī)物的吸收能力,介于70%與90% 本體質(zhì)量的吸收容量之間;(d)指壓法回收釋放吸收物;(e)木質(zhì)纖維素海綿對(duì)硅油的循環(huán)吸收能力[36]Fig.5 Oil absorption performance of the SWS.Removal of(a)silicone oil on the water surface and(b)dichloromethane from the water bottom with the SWS;(c)Mass-based absorption capacities of the SWS for various oils and organic solvents.The two dashed lines represent the theoretical volume-based absorption capacity(v/v)corresponding to the case where the sample is nominally 90%or 70%filled with the oils or organic liquids;(d)Photographs showing recovery of silicone oil from the SWS by finger squeezing;(e)Cyclic absorption capacities of the SWS for silicone oil[36]

Mi等[37]采用雙向冷凍技術(shù)制得各向異性的CNF/GO 氣凝膠。氣凝膠材料由于內(nèi)部的片層結(jié)構(gòu),具有非常優(yōu)異的可壓縮性能,在形變量低于80%的情況下,能自主完全回復(fù)至原狀態(tài),在形變量大于90%狀態(tài)下,氣凝膠依然能回復(fù)到原高度的96%。隨GO成分的增加,氣凝膠的水接觸角從147°增加至155°,但對(duì)正己烷的吸收能力幾乎不受成分比例影響,在80 g/g上下波動(dòng),對(duì)二氯甲烷的吸收能力高達(dá)180 g/g,表現(xiàn)出優(yōu)良的吸油能力。氣凝膠經(jīng)10次循環(huán)使用后,蒸餾回收對(duì)它吸收能力的影響僅為3%,機(jī)械擠壓對(duì)它的影響為10%。

3.2 親水水下疏油氣凝膠材料

Li等[38]用Ca2+交聯(lián)海藻酸鈉與納米纖維素的混合液,最終得到氣凝膠。在空氣中,油與水在氣凝膠表面的接觸角都接近0°;在水中,油的接觸角高達(dá)162°,表現(xiàn)出超疏油性質(zhì)。使用各種有機(jī)物與水模擬油水混合物進(jìn)行油水分離試驗(yàn),結(jié)果表明該氣凝膠的油水分離效率均在98.5%以上,最高可達(dá)99.7%,并且在40次循環(huán)后氣凝膠的油水分離效率僅下降了0.5%。

Li等[39]在纖維素氣凝膠表面進(jìn)行界面引發(fā)-原子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應(yīng)。甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯在氣凝膠表面聚合生成長(zhǎng)鏈,這些長(zhǎng)鏈以分子刷的形式分布在氣凝膠表面。聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯分子由于叔胺基的存在具有p H 響應(yīng)和溫度響應(yīng)特性。叔胺基的質(zhì)子化作用使聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯表現(xiàn)出親水特性,并以長(zhǎng)鏈構(gòu)象存在,而聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯在水中有良好穩(wěn)定性,只能部分質(zhì)子化。與此同時(shí),CO2的存在能促進(jìn)叔胺基的質(zhì)子化作用,使鏈段變得伸展,親水性提升;當(dāng)CO2被移除后,叔胺基去質(zhì)子化,鏈段收縮,親水性降低。在無(wú)CO2存在時(shí),氣凝膠表面的水接觸角能長(zhǎng)時(shí)間維持在130°;而存在CO2情況下,氣凝膠在60 s內(nèi)的水接觸角從130°降低到0°,由表面疏水轉(zhuǎn)變到親水(圖6)。這種氣凝膠能很好地分離油包水乳液和水包油乳液,只要通過(guò)CO2控制其親水性,便可得到基本不含小乳液滴的純凈油/水液。

圖6 (a,b)不同條件下CNF-g-PDMAEMA 的潤(rùn)濕性;(c)己烷-水混合物分離過(guò)程的照片;(d)分別在不存在和存在CO2 的情況下油和水通量的變化[39]Fig.6 (a,b)Wettability of CNF-g-PDMAEMA in different conditions;(c)photographs of the hexane and water mixture separation process.(d)variations in the flux of oil and water in the absence and presence of CO2,respectively[39]

3.3 智能響應(yīng)氣凝膠材料

Zhang等[40]首先合成了聚異丙基丙烯酰胺,隨后將聚異丙基丙烯酰胺與納米纖維素混合懸浮液用液氮迅速冷凍后冷凍干燥得到氣凝膠。聚異丙基丙烯酰胺是一種溫度響應(yīng)聚合物材料,在水溶液中其低臨界共溶溫度(LCST)大約為32 ℃。當(dāng)溫度低于LCST 時(shí),聚合物與溶劑之間的相互作用大于聚合物與聚合物之間的相互作用,水成為聚合物的良溶劑;而溫度高于LCST 的情況下,聚合物內(nèi)部的相互作用占優(yōu)勢(shì),聚合物團(tuán)聚而水很難與聚合物之間形成氫鍵,表現(xiàn)出一定的疏水性。研究發(fā)現(xiàn)聚異丙基丙烯酰胺-纖維素氣凝膠在溫度低于30 ℃時(shí),水接觸角接近0°,當(dāng)溫度由30 ℃升高至35 ℃過(guò)程中,水接觸角迅速增加至100°。利用聚異丙基丙烯酰胺的溫度響應(yīng)特性,可以使氣凝膠進(jìn)行低溫吸水-升溫放水的智能循環(huán),從而進(jìn)行連續(xù)的油水分離。

4 結(jié) 論

由于單純依靠機(jī)械處理很難得到納米尺度纖維素,而納米纖維素纖維的化學(xué)處理過(guò)程過(guò)于繁瑣,會(huì)產(chǎn)生大量的廢液。

氣凝膠的凍干工藝研究較少,預(yù)冷凍條件,凍干工藝條件等由于設(shè)備限制很少有相關(guān)研究。若要實(shí)現(xiàn)纖維素氣凝膠的大規(guī)模應(yīng)用,首先凍干工藝需要進(jìn)行深入研究;其次,纖維素氣凝膠與其他氣凝膠相比有很好的生物可降解性,但表面改性之后,其可降解能力可能會(huì)受到影響;而且實(shí)驗(yàn)室制備的纖維素氣凝膠尺寸都比較小。

在實(shí)際應(yīng)用中,大尺寸的氣凝膠制備工藝還不成熟,生產(chǎn)中難以直接復(fù)制實(shí)驗(yàn)室的制備方法。因此,將來(lái)的研究需要尋求高效的纖維素預(yù)處理方法來(lái)降低其成本,深入研究?jī)龈晒に囀箽饽z的結(jié)構(gòu)性能更加可控。與此同時(shí),還需要進(jìn)一步研究如何大規(guī)模應(yīng)用,使纖維素氣凝膠能夠連續(xù)高效的進(jìn)行油水分離以及吸收之后的氣凝膠材料的回收或銷毀。