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中科院理化所王树涛研究员团队:新型油水分离材料—亲水/亲油磁性Janus微球
2018-06-22 来源:中国流变网    点击次数:102次    

  近日,中国科学院理化技术研究所王树涛研究员团队报道了一种亲水/亲油的磁性Janus微球,可以从水中快速、高效地分离出微小的油滴。该研究成果以“Hydrophilic/Oleophilic Magnetic Janus Particles for the Rapid and Efficient Oil-Water Separation”为题发表在Advanced Functional Materials上。

  随着海上原油泄漏事故的频繁发生以及工业及生活中含油废水的大量排放,水中油污染已经成为危害人类健康及环境安全的重大问题。通常,油在水中往往以浮油、分散油、乳化油或无表面活性剂稳定的微小油滴的形式存在。近年来,基于表面浸润性的膜、海绵等材料被相继开发,并用于分离浮油、分散油甚至是乳化油等,取得了良好的分离效果。然而,从水中分离出微小的油滴往往被人们忽略,这些油滴尺寸通常小于20 μm,在水中能长时间稳定存在,传统的分离方法很难将其分开。因此开发新型的油水分离材料用于水中微小油滴的分离显得极为迫切。

  最近,王树涛研究员团队发展了一种普适性的乳液界面聚合的方法,实现了拓扑结构和化学组成可调的Janus微球材料和膜材料的可控制备(Sci. Adv. 2017, 3, e1603203; Macromolecules 2018, 51, 1591-1597; NPG Asia Mater. 2017, 9, e380;Mater. Chem. Front., 2017, 1, 1028)。这些Janus微球能选择性地吸附纳米粒子、生物分子或捕获细菌、胶体微球。因此,研究人员设想:能否借助这些Janus微球独特的结构和性质(凹面亲油,凸面亲水)去捕捉水中的微小油滴?

  基于此,研究人员通过油水乳液界面聚合结合纳米粒子界面组装的方法制备了磁性的Janus微球。这些微球具有类似抓手的结构,其凹面亲油、凸面亲水。当把磁性Janus微球加入到油水乳液中时,这些微球能从水中快速分离出微小的油滴,整个分离过程只需2分钟,分离效率高达99%,并适用于不同比例、不同种类的油水混合物。

图1 (a-c) 磁性Janus微球的制备; (d-e) 磁性Janus微球用于油水分离。

  进一步研究发现,当把磁性Janus微球加入到油水乳液中时,他们利用其‘抓手’可以有效的捕捉水中的微小油滴形成雪人状结构,在剧烈的晃动过程中,Janus微球又可以促使被捕捉到的微小油滴合并形成大的油滴,使得油水乳液分层。最后,类似小分子表面活性剂性质,这些Janus微球利用其亲水/亲油的两面性质,可以稳定合并的大油滴。通过用石蜡代替液态油来观察微球在油滴表面的取向,发现大部分微球的亲水面朝向水相,亲油面朝向油相。这种磁性Janus微球为开发新型的油水分离材料提供了新的思路,有望应用于工业废水的处理和水净化等领域。

图2 油水分离机理。

  该论文的第一作者为中国科学院理化技术研究所、中国科学院仿生材料与界面科学重点实验室的博士生宋永杨,通讯作者为王树涛研究员樊俊兵副研究员。该论文的合作者还包括北京航空航天大学的周嘉嘉副教授等。

  该工作得到了的国家自然科学基金杰出青年基金,中组部国家“万人计划”领军人才项目,北京市科委计划项目等资金的支持。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201802493?af=R

 
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