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一种用于油水分离的具有自检测和自清洁功能的仿生多孔金属水凝胶

学术动态    2023-01-10 09:24

DOI: 10.1021/acsami.2c05327

 

受木材的亲水能力和从土壤中吸收水分过程的启发,通过在泡沫铜上生长超Cu(OH)2纳米结构并在其表面涂上PVA-TA-MWNT水凝胶涂层的层层自组装技术构建了具有自检测和自清洁功能的PVA-TA-MWNT水凝胶。

 

 

图 1. PVA-TA-MWNT水凝胶的仿生特性和制备流程。

 

PVA-TA-MWNT水凝胶在空气中表现出良好的超亲水性以及在水下表现出优异的超疏油性能。同时PVA-TA-MWNT水凝胶还对多种油和有机溶剂均具有水下超疏油特性。通过油水分离实验得出,PVA-TA-MWNT的油水分离效率高于99%,其对不同种类的油/水混合物均具有优异的分离效率,分离效率大于98%。此外,PVA-TA-MWNT水凝胶还具有一定的防污性能和耐久性,其在进行25个油水分离循环后油水分离效率仍高达95.6%。

 

图 2. PVA-TA-MWNT 水凝胶的油水分离特性。

 

PVA-TA-MWNT水凝胶还具有较强的环境适应能力。其在pH=4-10,NaCl浓度低于1 mol·L-1以及室温和低温环境下均能够实现高效、高速的油水分离。在这些环境条件下PVA-TA-MWNT水凝胶能够保持稳定的工作,油水分离效率高于99%,水通量高于8300 L m-2 h-1。

 

 

图 3. PVA-TA-MWNT水凝胶在不同环境条件下的油水分离特性。

 

更为突出的是PVA-TA-MWNT水凝胶能够在油水分离过程中产生电压和电流变化。随着循环次数的增加,PVA-TA-MWNT水凝胶内的油残留物逐渐积累,导致产生的电压呈指数下降(从7.2 mV到0.97mV),同时电流也随着循环次数的增加也呈指数下降(从1.65 µA到0.4 µA)。通过分析发电电压及电流与PVA-TA-MWNT水凝胶的油/水分离效率之间的关系发现,当产生的电压值低于1.6 mV以及产生的电流低于0.61 µA时,PVA-TA-MWNT水凝胶无法实现高效油水分离。这使得可以通过测量产生的电压值判断PVA-TA-MWNT水凝胶是否因过度污染而失效,从而实现自检测功能。

 

图 4. PVA-TA-MWNT水凝胶的自我检测特性。

 

同时PVA-TA-MWNT还具备出色的自清洁功能。在经过去离子水中浸泡24h后,PVA-TA-MWNT的油水分离特性以及自检测功能都得到恢复。随着循环次数的增加,电压、电流的变化仍符合其自检功能的规律,能保证其具有与初始水凝胶相同的对污染度自检测的功能。通过自清洁过程可将其使用寿命从最初的24个循环延长至62个循环,这有效地降低了实际应用中油水分离的成本。与现有的超润湿表面材料相比,PVA-TA-MWNT水凝胶在分离效率和整体使用寿命方面具有优势,更重要的是PVA-TA-MWNT水凝胶独特的自我检测功能也使它实际生产生活中更具实用性。

 

图 5. PVA-TA-MWNT水凝胶在不同清洗次数后的自检测特性。

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