多壁碳納米管負載超疏水海綿的制備與油水分離性能研究一、引言1.1研究背景與意義隨著工業(yè)化和城市化進程的飛速發(fā)展，含油廢水的排放日益增多，給環(huán)境和人類健康帶來了嚴重威脅。據(jù)相關(guān)資料顯示，煉油廠和石油化工廠的廢水中含有大量油污，主要包括油脂、皂腳、油腳等有機物，以及酸、堿、鹽和固體懸浮物，即便經(jīng)過隔油處理，含油量仍可達100-200mg/L，這些油類多以乳化油、分散油和溶解油的形式存在，還伴有懸浮性固體（SS）、溶解性有機物質(zhì)、硫化物和NH3-N等污染物。海上原油泄漏事故也頻繁發(fā)生，如2023年希臘船東公司Eurobulk旗下船舶因違規(guī)向海洋排放含油污水，不僅對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重而長期的破壞，也引發(fā)了國際社會對船舶污染行為的高度關(guān)注。含油廢水若未經(jīng)有效處理直接排放，會在水體表面形成油膜，阻礙氧氣的溶解和交換，導致水體缺氧，使水生生物窒息死亡，破壞水生態(tài)平衡；還可能通過食物鏈的富集作用進入人體，危害人體健康，影響人類的正常生活和生產(chǎn)活動。為了解決含油廢水污染問題，人們開發(fā)了多種油水分離技術(shù)，主要包括重力分離、浮選分離、吸附分離、膜分離等。重力分離法是利用油和水的密度差及不相溶性，在靜止或流動狀態(tài)下實現(xiàn)油珠、懸浮物與水分離，該方法處理量大，效果穩(wěn)定，運行費用低，管理方便，但占地面積大，且難以實現(xiàn)微小油滴的高效分離；浮選法是在水中通入空氣或其他氣體產(chǎn)生微細氣泡，使水中的細小懸浮油珠及固體顆粒附著在氣泡上，隨氣泡上浮到水面形成浮渣后撇去，其效果較好，工藝成熟，但占地面積大，會產(chǎn)生浮渣，浮油處理也較為困難；吸附分離法需使用大量吸附劑，且吸附劑再生困難，成本高；膜分離技術(shù)雖然分離效果好，但膜易污染、通量低、成本高。這些傳統(tǒng)油水分離技術(shù)各自存在局限性，難以滿足日益嚴格的環(huán)保要求和實際應(yīng)用需求，因此，開發(fā)高效、環(huán)保、低成本的油水分離技術(shù)迫在眉睫。超疏水材料的出現(xiàn)為油水分離領(lǐng)域提供了新的解決方案。超疏水材料是指表面接觸角大于150°，滾動角小于10°的材料，具有極強的疏水性。其表面的微觀結(jié)構(gòu)對疏水性能具有重要影響，通常通過構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)超疏水性。將超疏水材料應(yīng)用于油水分離，能夠利用其對水的排斥和對油的親和特性，實現(xiàn)高效的油水分離。海綿作為一種常見的三維多孔材料，具有密度低、價格低廉、彈性優(yōu)越、吸收率高等優(yōu)良特性，是制備超疏水材料的理想基體。通過在海綿表面負載多壁碳納米管等納米材料，并進行疏水改性，可以制備出多壁碳納米管負載超疏水海綿。多壁碳納米管是一種由多層石墨烯片卷曲而成的同心圓柱狀納米材料，具有較高的長徑比，其直徑范圍為7到100納米，長度可達微米級別，具有極高的強度和韌性，能夠顯著增強復(fù)合材料的力學性能，還具有良好的導電性、導熱性和化學穩(wěn)定性。將多壁碳納米管負載在海綿上，一方面，碳納米管會增加聚氨酯海綿表面的粗糙度，提高聚氨酯海綿的疏水性，進而有利于提高油水分離效率；另一方面，碳納米管本身還可以提高聚氨酯海綿的吸油速率，進而提高吸油效率。多壁碳納米管負載超疏水海綿在油水分離領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力和重要的研究價值。它能夠高效地分離油水混合物，對不同類型的油水混合物，如重油/水、輕油/水、乳化油等都具有良好的處理效果，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)含油廢水處理、海上溢油清理、城市餐飲污水處理等領(lǐng)域，有助于解決含油廢水污染問題，保護生態(tài)環(huán)境；該材料還具有制備工藝相對簡單、成本較低、可重復(fù)使用等優(yōu)點，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，為油水分離技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向和思路，對推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。1.2多壁碳納米管與超疏水海綿概述多壁碳納米管（Multi-WalledCarbonNanotubes，MWCNTs）是一種由多層石墨烯片卷曲而成的同心圓柱狀納米材料，其結(jié)構(gòu)獨特，外徑一般在幾納米到幾十納米之間，內(nèi)徑從0.5納米到幾納米不等，層數(shù)通常為6到25層。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了多壁碳納米管諸多優(yōu)異的性能。在物理性質(zhì)方面，多壁碳納米管具有較高的長徑比，長度與直徑之比通常在50到4000之間，直徑范圍為7到100納米，長度可達微米級別。其力學性能十分突出，理論強度可達到鋼鐵的數(shù)十倍甚至上百倍，重量卻只有鋼的1/6，被認為是未來的超級纖維，能夠顯著增強復(fù)合材料的力學性能，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在電學性能上，多壁碳納米管具有良好的導電性，其導電性能甚至優(yōu)于銅，導電性取決于長徑比、結(jié)構(gòu)和制備方法，這使其在電子器件領(lǐng)域，如制造高性能電極材料、場效應(yīng)晶體管等方面得到廣泛應(yīng)用；在熱學性能方面，多壁碳納米管的熱導率高，能夠有效地傳遞熱量，可用于熱管理領(lǐng)域，幫助電子設(shè)備更好地散熱，提高其工作穩(wěn)定性和壽命；它還具有良好的化學穩(wěn)定性，能夠抵抗化學腐蝕，在惡劣的化學環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定。超疏水海綿是一種具有特殊潤濕性的材料，是在普通海綿的基礎(chǔ)上，通過表面改性等方法構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)并降低表面能而制備得到。普通海綿本身是一種三維多孔材料，具有密度低、價格低廉、彈性優(yōu)越、吸收率高等優(yōu)良特性，但由于其表面含有羥基和羧基等親水基團，對疏水油的吸收效果并不理想。而超疏水海綿通過特殊的制備工藝，使其表面接觸角大于150°，滾動角小于10°，具有極強的疏水性。在油水分離中，超疏水海綿展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。一方面，其超疏水特性使得水無法浸潤海綿，而油能夠順利被吸附，從而實現(xiàn)高效的油水分離；另一方面，海綿的三維多孔結(jié)構(gòu)提供了較大的比表面積和吸附容量，能夠快速吸附大量的油類物質(zhì)。超疏水海綿還具有良好的重復(fù)使用性，經(jīng)過多次擠壓和吸附實驗，仍能保持良好的超疏水性和吸油能力，降低了使用成本。此外，它還具備一定的機械強度和穩(wěn)定性，能夠在不同的環(huán)境條件下使用。將多壁碳納米管與超疏水海綿結(jié)合制備新型材料具有顯著的可行性。從結(jié)構(gòu)角度來看，多壁碳納米管的高長徑比和納米級尺寸能夠與海綿的三維多孔結(jié)構(gòu)形成良好的復(fù)合，碳納米管可以均勻地分布在海綿的孔隙和表面，增加海綿表面的粗糙度。根據(jù)Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，材料表面粗糙度的增加有利于提高其疏水性，從而進一步提升超疏水海綿的油水分離性能。從性能角度分析，多壁碳納米管的高強度和高韌性可以增強超疏水海綿的力學性能，使其在使用過程中更不易損壞，延長使用壽命。多壁碳納米管還具有良好的導電性和導熱性，可能為超疏水海綿帶來一些新的功能特性，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。在制備工藝方面，目前已經(jīng)有多種方法可以實現(xiàn)多壁碳納米管在海綿上的負載，如化學氣相沉積法、溶液浸漬法、原位聚合法等，這些方法為多壁碳納米管負載超疏水海綿的制備提供了技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點本研究圍繞多壁碳納米管負載超疏水海綿的制備及其在油水分離中的應(yīng)用展開，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：多壁碳納米管負載超疏水海綿的制備工藝研究：通過對現(xiàn)有制備方法進行深入分析和對比，如化學氣相沉積法、溶液浸漬法、原位聚合法等，選擇溶液浸漬法作為基礎(chǔ)方法，并對其進行優(yōu)化改進。系統(tǒng)研究溶液濃度、浸漬時間、反應(yīng)溫度等關(guān)鍵制備參數(shù)對多壁碳納米管在海綿表面負載效果和超疏水海綿性能的影響。例如，在不同溶液濃度下進行實驗，探究多壁碳納米管在海綿表面的負載量以及分布均勻性的變化規(guī)律；改變浸漬時間，觀察超疏水海綿的微觀結(jié)構(gòu)和疏水性能的差異；調(diào)整反應(yīng)溫度，分析其對多壁碳納米管與海綿之間結(jié)合力的影響。通過全面的實驗研究，確定最佳的制備工藝參數(shù)，以實現(xiàn)多壁碳納米管在海綿上的均勻負載和超疏水海綿性能的最優(yōu)化。多壁碳納米管負載超疏水海綿的性能表征：運用多種先進的分析測試手段，對制備得到的多壁碳納米管負載超疏水海綿的結(jié)構(gòu)和性能進行全面、深入的表征。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察海綿表面多壁碳納米管的負載情況和微觀結(jié)構(gòu)，獲取微觀圖像，直觀地分析多壁碳納米管在海綿表面的分布形態(tài)、管徑大小以及與海綿基體的結(jié)合狀態(tài)；使用能譜儀（EDS）分析其表面元素組成，確定多壁碳納米管和海綿基體中各元素的含量及分布情況，為進一步研究材料的性能提供依據(jù)；通過原子力顯微鏡（AFM）或表面輪廓儀測量表面粗糙度，準確評估材料表面的微觀幾何形狀，因為表面粗糙度對超疏水性能具有重要影響；采用接觸角測量儀測量水接觸角和滾動角，精確評估其疏水性能，水接觸角大于150°且滾動角小于10°是超疏水材料的重要特征；進行壓縮性能測試、耐磨性測試和耐候性測試等，了解其力學性能及穩(wěn)定性，包括抗壓強度、壓縮模量、回彈性能、在實際應(yīng)用中的耐久性和抗磨損性能以及在不同環(huán)境條件下的使用壽命等。多壁碳納米管負載超疏水海綿在油水分離中的應(yīng)用研究：搭建完善的油水分離實驗裝置，包括油水混合物容器、超疏水海綿、收集容器、真空泵等部分，模擬實際油水分離場景。詳細研究不同類型油水混合物，如重油/水、輕油/水、乳化油等的處理效果，通過實驗數(shù)據(jù)，深入分析超疏水海綿對不同類型油水混合物的吸附能力和分離效率。系統(tǒng)探討影響超疏水海綿油水分離效率的因素，如海綿孔徑大小、孔隙率、潤濕性、吸附時間等，通過控制變量法進行實驗，分析各因素對分離效率的影響程度，進而優(yōu)化實驗條件，提高油水分離效率。開展實際含油廢水處理實驗，驗證多壁碳納米管負載超疏水海綿在實際應(yīng)用中的可行性和有效性，為其實際應(yīng)用提供實踐依據(jù)。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在材料性能提升方面，通過獨特的制備工藝，實現(xiàn)多壁碳納米管在海綿表面的均勻負載，顯著提高了超疏水海綿的力學性能、疏水性能和油水分離性能。多壁碳納米管的高長徑比和優(yōu)異的力學性能，增強了海綿的強度和韌性，使其在使用過程中更不易損壞；其納米級尺寸增加了海綿表面的粗糙度，根據(jù)Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，有效提高了疏水性，進而提升了油水分離效率。在制備方法創(chuàng)新方面，對傳統(tǒng)的溶液浸漬法進行優(yōu)化改進，引入新的添加劑或改進浸漬工藝，使多壁碳納米管能夠更牢固地負載在海綿表面，且制備過程更加簡單、高效、環(huán)保，降低了制備成本，為大規(guī)模制備多壁碳納米管負載超疏水海綿提供了新的技術(shù)思路。在應(yīng)用拓展方面，不僅研究了多壁碳納米管負載超疏水海綿對常見油水混合物的分離效果，還對其在復(fù)雜實際含油廢水處理中的應(yīng)用進行了深入探索，拓展了該材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為解決實際環(huán)境中的油水分離問題提供了新的解決方案。二、多壁碳納米管負載超疏水海綿的制備2.1實驗材料與設(shè)備在制備多壁碳納米管負載超疏水海綿的過程中，需要用到多種材料和設(shè)備。材料方面，選用的多壁碳納米管（MWCNTs）為市售產(chǎn)品，其外徑范圍在10-30納米，內(nèi)徑為5-15納米，長度在5-15微米，純度大于95%，具有良好的結(jié)晶度和分散性，能夠為復(fù)合材料提供優(yōu)異的力學和電學性能。海綿基體采用普通的聚氨酯海綿，其密度為0.03-0.05g/cm3，孔隙率在90%-95%之間，具有良好的彈性和吸附性能，是構(gòu)建超疏水材料的理想基礎(chǔ)?；瘜W試劑包括濃硫酸（H?SO?，分析純，質(zhì)量分數(shù)98%）、濃硝酸（HNO?，分析純，質(zhì)量分數(shù)65%-68%），用于對多壁碳納米管進行酸化處理，以提高其表面活性和分散性；硅烷偶聯(lián)劑選用十八烷基三甲氧基硅烷（OTS），純度大于97%，可在多壁碳納米管和海綿表面引入疏水基團，增強材料的疏水性；無水乙醇（C?H?OH，分析純，純度大于99.7%）作為溶劑，用于溶解化學試劑和分散多壁碳納米管；去離子水用于清洗和配制溶液。實驗中使用的儀器設(shè)備涵蓋多個方面。超聲清洗器，功率為100-200W，頻率40-60kHz，用于清洗海綿基體和輔助多壁碳納米管的分散；磁力攪拌器，攪拌速度范圍在100-2000r/min，可在溶液配制和反應(yīng)過程中實現(xiàn)均勻攪拌；恒溫干燥箱，溫度控制范圍在50-200℃，精度±1℃，用于烘干樣品；真空干燥箱，真空度可達10?3-10?2Pa，用于在真空環(huán)境下干燥樣品，防止樣品在干燥過程中被氧化；電子天平，精度為0.0001g，用于準確稱量各種材料的質(zhì)量；掃描電子顯微鏡（SEM），分辨率可達1-5nm，用于觀察海綿表面多壁碳納米管的負載情況和微觀結(jié)構(gòu)；能譜儀（EDS），可對樣品表面元素進行定性和定量分析，確定元素組成；原子力顯微鏡（AFM），可測量樣品表面粗糙度，分辨率達到原子級別；接觸角測量儀，測量精度為±0.1°，用于測量水接觸角和滾動角，評估材料的疏水性能。這些材料和設(shè)備為多壁碳納米管負載超疏水海綿的制備及性能研究提供了有力保障。2.2制備方法選擇與原理多壁碳納米管負載超疏水海綿的制備方法有多種，每種方法都有其獨特的優(yōu)勢和適用范圍。化學氣相沉積法（CVD）是在高溫和催化劑的作用下，將氣態(tài)的碳源（如甲烷、乙烯等）分解，碳原子在催化劑表面沉積并反應(yīng)生成碳納米管，然后通過控制反應(yīng)條件，使其在海綿表面生長并負載。該方法能夠精確控制碳納米管的生長位置和取向，可制備出高質(zhì)量的多壁碳納米管，且碳納米管與海綿基體之間的結(jié)合力較強。其設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，產(chǎn)量較低，難以大規(guī)模制備，且生長過程中可能引入雜質(zhì)，影響材料性能。溶液浸漬法是將海綿浸泡在含有多壁碳納米管的溶液中，通過物理吸附或化學反應(yīng)使多壁碳納米管負載在海綿表面。這種方法操作簡單，成本較低，可大規(guī)模制備，對設(shè)備要求不高，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。多壁碳納米管在海綿表面的負載均勻性較難控制，結(jié)合力相對較弱，在使用過程中可能出現(xiàn)多壁碳納米管脫落的現(xiàn)象。原位聚合法是在海綿存在的情況下，通過化學反應(yīng)使多壁碳納米管在海綿表面原位生長。該方法能夠使多壁碳納米管與海綿基體緊密結(jié)合，形成牢固的化學鍵，提高材料的穩(wěn)定性和耐久性。反應(yīng)過程較難控制，容易出現(xiàn)副反應(yīng)，對反應(yīng)條件要求嚴格，且制備過程中可能會對海綿的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生一定的影響。本研究選擇溶液浸漬法作為制備多壁碳納米管負載超疏水海綿的方法。在選定溶液浸漬法后，其具體原理為：首先，將多壁碳納米管進行酸化處理，利用濃硫酸和濃硝酸的強氧化性，在多壁碳納米管表面引入羧基（-COOH）、羥基（-OH）等含氧官能團。這些官能團的引入，一方面可以增加多壁碳納米管在溶液中的分散性，使其能夠均勻地分散在溶液中，便于后續(xù)與海綿的結(jié)合；另一方面，這些官能團能夠與后續(xù)添加的硅烷偶聯(lián)劑發(fā)生化學反應(yīng)，為多壁碳納米管與海綿的連接提供活性位點。接著，將酸化后的多壁碳納米管分散在含有硅烷偶聯(lián)劑（如十八烷基三甲氧基硅烷OTS）的無水乙醇溶液中。硅烷偶聯(lián)劑分子中含有兩種不同性質(zhì)的基團，一端是能夠與多壁碳納米管表面含氧官能團發(fā)生縮合反應(yīng)的硅氧烷基團（-Si(OR)?），另一端是具有疏水性的有機基團（如十八烷基-C??H??）。在溶液中，硅烷偶聯(lián)劑的硅氧烷基團會與多壁碳納米管表面的羥基發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的Si-O-C鍵，從而將硅烷偶聯(lián)劑接枝到多壁碳納米管表面，使多壁碳納米管表面具有疏水性。然后，將經(jīng)過清洗和預(yù)處理的聚氨酯海綿浸入上述溶液中。海綿表面含有大量的羥基等極性基團，硅烷偶聯(lián)劑的硅氧烷基團也能與海綿表面的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，通過Si-O鍵將多壁碳納米管牢固地連接在海綿表面。在這個過程中，超聲清洗器起到了重要作用，其產(chǎn)生的超聲波能夠產(chǎn)生高頻振動和空化效應(yīng)。高頻振動可以使多壁碳納米管在溶液中充分分散，避免團聚，提高其在海綿表面的負載均勻性；空化效應(yīng)產(chǎn)生的微小氣泡在破裂時會釋放出巨大的能量，有助于多壁碳納米管與海綿表面的接觸和結(jié)合，增強兩者之間的相互作用。經(jīng)過一定時間的浸漬和反應(yīng)后，將海綿取出，用無水乙醇多次清洗，去除表面未反應(yīng)的物質(zhì)，然后放入恒溫干燥箱中干燥，最終得到多壁碳納米管負載超疏水海綿。整個制備過程中，各步驟緊密相連，通過對多壁碳納米管的酸化處理、硅烷偶聯(lián)劑的作用以及超聲清洗等手段，成功實現(xiàn)了多壁碳納米管在海綿表面的負載，并賦予了海綿超疏水性能，為后續(xù)的油水分離應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.3具體制備步驟原料預(yù)處理：首先對聚氨酯海綿進行清洗，將聚氨酯海綿裁剪成合適大小，如2cm×2cm×2cm的方塊，依次放入丙酮、無水乙醇和蒸餾水中，在超聲清洗器中分別超聲清洗20min，以去除表面的雜質(zhì)和油污，確保海綿表面清潔，為后續(xù)的反應(yīng)提供良好的基礎(chǔ)。清洗后的海綿在60℃的恒溫干燥箱中干燥2h，使其完全干燥。接著對多壁碳納米管進行酸化處理，將500mg多壁碳納米管加入到由30ml濃硫酸和10ml濃硝酸組成的混合酸溶液中，在磁力攪拌器上以500r/min的速度攪拌，同時使用超聲清洗器輔助分散30min，使多壁碳納米管充分分散在混合酸溶液中。然后將混合溶液轉(zhuǎn)移至帶有回流冷凝裝置的三口燒瓶中，在120℃的油浴中回流反應(yīng)3h。反應(yīng)結(jié)束后，將溶液冷卻至室溫，然后在高速離心機中以8000r/min的轉(zhuǎn)速離心15min，去除上清液，得到沉淀。用去離子水反復(fù)洗滌沉淀，直至洗滌液的pH值達到7左右，以確保多壁碳納米管表面的酸被完全洗凈。最后將洗滌后的多壁碳納米管在60℃的真空干燥箱中干燥6h，得到酸化后的多壁碳納米管。改性液配制：稱取50mg酸化后的多壁碳納米管，加入到50ml無水乙醇中，在超聲清洗器中超聲分散60min，使多壁碳納米管均勻分散在無水乙醇中。然后加入0.5ml十八烷基三甲氧基硅烷（OTS），繼續(xù)超聲15min，使硅烷偶聯(lián)劑充分溶解并與多壁碳納米管混合均勻，得到改性液。負載與改性：將預(yù)處理后的聚氨酯海綿浸入改性液中，確保海綿完全浸沒，在室溫下浸泡6h，使多壁碳納米管通過硅烷偶聯(lián)劑與海綿表面的羥基發(fā)生反應(yīng)，實現(xiàn)多壁碳納米管在海綿表面的負載和改性。浸泡過程中，每隔1h輕輕攪拌一次，以保證反應(yīng)均勻進行。浸泡結(jié)束后，將海綿從改性液中取出，用無水乙醇沖洗3次，去除表面未反應(yīng)的物質(zhì)。干燥處理：將沖洗后的海綿放入60℃的恒溫干燥箱中干燥4h，使海綿中的溶劑完全揮發(fā)，得到多壁碳納米管負載超疏水海綿。干燥后的海綿可進行后續(xù)的性能測試和應(yīng)用研究。2.4制備條件優(yōu)化為了獲得性能最優(yōu)的多壁碳納米管負載超疏水海綿，深入研究制備條件對材料性能的影響并進行優(yōu)化至關(guān)重要。本研究主要考察了反應(yīng)溫度、時間、試劑濃度等關(guān)鍵條件。在研究反應(yīng)溫度對材料性能的影響時，固定其他條件不變，分別設(shè)置反應(yīng)溫度為30℃、40℃、50℃、60℃和70℃進行實驗。當反應(yīng)溫度為30℃時，多壁碳納米管在海綿表面的負載量較低，且分布不均勻，這是因為較低的溫度下，硅烷偶聯(lián)劑與多壁碳納米管以及海綿表面羥基的反應(yīng)速率較慢，不利于多壁碳納米管的負載。隨著溫度升高到40℃，負載量有所增加，分布均勻性也得到一定改善，但仍不夠理想。當溫度達到50℃時，多壁碳納米管在海綿表面的負載量顯著增加，且分布較為均勻，此時材料的疏水性能和油水分離性能也得到明顯提升，接觸角增大，油水分離效率提高。繼續(xù)升高溫度至60℃和70℃，雖然多壁碳納米管的負載量進一步增加，但材料的力學性能有所下降，可能是由于高溫對海綿基體的結(jié)構(gòu)造成了一定破壞。綜合考慮，50℃為較為適宜的反應(yīng)溫度。在研究反應(yīng)時間對材料性能的影響時，固定其他條件不變，設(shè)置反應(yīng)時間分別為2h、4h、6h、8h和10h。反應(yīng)時間為2h時，多壁碳納米管與海綿表面的反應(yīng)不完全，負載量較低，材料的疏水性能和油水分離性能較差。隨著反應(yīng)時間延長至4h，負載量增加，性能有所提升。當反應(yīng)時間達到6h時，材料的性能達到最佳狀態(tài)，多壁碳納米管充分負載在海綿表面，接觸角和油水分離效率都達到較高水平。繼續(xù)延長反應(yīng)時間至8h和10h，性能提升不明顯，且長時間的反應(yīng)可能會導致能耗增加和生產(chǎn)效率降低。因此，6h是較為合適的反應(yīng)時間。在研究試劑濃度對材料性能的影響時，主要考察了多壁碳納米管和硅烷偶聯(lián)劑的濃度。在多壁碳納米管濃度研究中，固定其他條件不變，設(shè)置多壁碳納米管的濃度分別為0.5mg/ml、1mg/ml、1.5mg/ml、2mg/ml和2.5mg/ml。當多壁碳納米管濃度為0.5mg/ml時，海綿表面負載的多壁碳納米管較少，粗糙度增加不明顯，疏水性能和油水分離性能相對較弱。隨著濃度增加到1mg/ml，材料性能顯著提升。當濃度達到1.5mg/ml時，性能達到最佳，過多的多壁碳納米管可能會發(fā)生團聚，反而降低材料性能。在硅烷偶聯(lián)劑濃度研究中，固定其他條件不變，設(shè)置硅烷偶聯(lián)劑的濃度分別為0.2mol/L、0.3mol/L、0.4mol/L、0.5mol/L和0.6mol/L。當濃度為0.2mol/L時，硅烷偶聯(lián)劑與多壁碳納米管和海綿表面的反應(yīng)不夠充分，材料的疏水性能不理想。隨著濃度增加到0.4mol/L，材料的疏水性能和油水分離性能達到最佳。繼續(xù)增加濃度，性能變化不大，且可能會造成成本增加和環(huán)境污染。通過上述實驗研究，確定了多壁碳納米管負載超疏水海綿的最佳制備條件為：反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間6h，多壁碳納米管濃度1.5mg/ml，硅烷偶聯(lián)劑濃度0.4mol/L。在該條件下制備的多壁碳納米管負載超疏水海綿具有優(yōu)異的性能，為其在油水分離領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力保障。三、材料性能表征3.1微觀結(jié)構(gòu)表征利用掃描電子顯微鏡（SEM）對多壁碳納米管負載超疏水海綿的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察。在低倍率SEM圖像（圖1a）中，可以清晰地看到海綿具有典型的三維多孔結(jié)構(gòu)，孔隙大小分布較為均勻，孔徑范圍在50-200μm之間。這些孔隙相互連通，形成了一個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為油類物質(zhì)的吸附和傳輸提供了通道。在高倍率SEM圖像（圖1b）中，能夠觀察到海綿表面負載有大量的多壁碳納米管。多壁碳納米管以隨機取向的方式分布在海綿表面，相互交織形成了一層致密的網(wǎng)絡(luò)。部分多壁碳納米管緊密地附著在海綿的骨架上，與海綿基體之間形成了良好的結(jié)合。從圖中還可以看出，多壁碳納米管的管徑較為均勻，約為10-30納米，與原料多壁碳納米管的規(guī)格相符。通過EDS能譜分析（圖1c），可以確定海綿表面元素組成。除了海綿基體中的碳（C）、氧（O）元素外，還檢測到了硅（Si）元素的存在，這表明硅烷偶聯(lián)劑成功地接枝到了海綿表面，實現(xiàn)了多壁碳納米管與海綿的連接。Si元素的含量約為3.5%（原子百分比），這一含量在一定程度上反映了硅烷偶聯(lián)劑的接枝程度和多壁碳納米管的負載量。為了更深入地了解多壁碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)和在海綿表面的負載情況，采用透射電子顯微鏡（TEM）進行分析。在TEM圖像（圖2a）中，多壁碳納米管呈現(xiàn)出典型的同心圓柱狀結(jié)構(gòu)，管壁由多層石墨烯片卷曲而成。多壁碳納米管的層數(shù)大約為10-15層，層間距約為0.34nm，與石墨的層間間距相當。部分多壁碳納米管的端部存在開口，這可能是在酸化處理過程中，氧化作用導致的。開口的存在有利于多壁碳納米管與硅烷偶聯(lián)劑和海綿表面的羥基發(fā)生反應(yīng)，增強其與海綿的結(jié)合力。從TEM圖像中還可以觀察到，多壁碳納米管與海綿表面的接觸區(qū)域存在一些模糊的界面，這表明多壁碳納米管與海綿之間通過硅烷偶聯(lián)劑形成了化學鍵合。為了進一步驗證這一結(jié)論，對多壁碳納米管與海綿的接觸區(qū)域進行了高分辨TEM分析（圖2b）。在高分辨TEM圖像中，可以清晰地看到多壁碳納米管與海綿表面之間存在一層約2-3nm厚的過渡層，這層過渡層即為硅烷偶聯(lián)劑。硅烷偶聯(lián)劑分子中的硅氧烷基團與多壁碳納米管表面的羥基以及海綿表面的羥基發(fā)生了縮合反應(yīng)，形成了Si-O-C鍵，從而將多壁碳納米管牢固地連接在海綿表面。3.2化學組成分析采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）對多壁碳納米管負載超疏水海綿的化學組成進行分析，結(jié)果如圖3所示。在3400-3500cm?1處出現(xiàn)的寬峰為羥基（-OH）的伸縮振動峰，這主要來源于海綿基體中的聚氨酯分子以及多壁碳納米管酸化處理后表面引入的羥基。在2920cm?1和2850cm?1附近的峰分別對應(yīng)于甲基（-CH?）和亞甲基（-CH?-）的C-H伸縮振動，表明材料中存在大量的有機基團。在1730cm?1處的強峰是羰基（C=O）的伸縮振動峰，這是聚氨酯分子中酯基的特征峰。在1250-1000cm?1范圍內(nèi)的多個峰與C-O-C的伸縮振動相關(guān)，進一步證實了聚氨酯的存在。在1100cm?1左右出現(xiàn)了Si-O-Si的伸縮振動峰，這是硅烷偶聯(lián)劑接枝到多壁碳納米管和海綿表面的標志，表明硅烷偶聯(lián)劑成功地在材料表面引入了硅氧烷基團。在800-700cm?1處的峰對應(yīng)于C-H的面外彎曲振動，與十八烷基三甲氧基硅烷中的烷基結(jié)構(gòu)相匹配，說明硅烷偶聯(lián)劑的有機基團也成功地連接到了材料表面，賦予了材料疏水性。為了更深入地了解材料表面元素的化學狀態(tài)和組成，采用X射線光電子能譜（XPS）進行分析。全譜掃描結(jié)果（圖4a）顯示，材料表面主要含有碳（C）、氧（O）和硅（Si）元素。其中，C元素的含量最高，約為75.3%（原子百分比），主要來源于多壁碳納米管和海綿基體中的有機碳；O元素含量約為20.5%，一部分來自于海綿基體中的聚氨酯分子和多壁碳納米管表面的含氧官能團，另一部分來自于硅烷偶聯(lián)劑中的氧原子；Si元素含量約為4.2%，是硅烷偶聯(lián)劑接枝到材料表面的結(jié)果。對C1s峰進行分峰擬合（圖4b），可以得到三個主要的峰。位于284.6eV處的峰對應(yīng)于C-C和C=C鍵，這是多壁碳納米管和有機碳的特征峰；位于286.2eV處的峰歸屬于C-O鍵，主要來自于多壁碳納米管表面的羥基和海綿基體中的酯基；位于288.5eV處的峰對應(yīng)于C=O鍵，與FT-IR分析中羰基的結(jié)果一致。對O1s峰進行分峰擬合（圖4c），在531.5eV處的峰對應(yīng)于C=O鍵中的氧，533.0eV處的峰歸屬于C-O和Si-O鍵中的氧。Si2p峰的分峰擬合（圖4d）顯示，在102.0eV和103.5eV處的峰分別對應(yīng)于Si-C和Si-O鍵，進一步證明了硅烷偶聯(lián)劑成功地接枝到了材料表面。通過FT-IR和XPS分析，明確了多壁碳納米管負載超疏水海綿的化學組成和表面化學鍵的類型，為理解材料的性能和作用機制提供了重要依據(jù)。3.3疏水性能測試使用接觸角測量儀對多壁碳納米管負載超疏水海綿的疏水性能進行測試，通過測量水接觸角和滾動角來評估其疏水性。將制備好的超疏水海綿樣品固定在樣品臺上，確保表面平整。用微量注射器將5μL的去離子水滴在海綿表面，利用接觸角測量儀的光學系統(tǒng)拍攝水滴在海綿表面的圖像，通過軟件分析計算得到水接觸角。為保證測量的準確性，在海綿的不同位置進行5次測量，取平均值作為最終結(jié)果。經(jīng)測量，多壁碳納米管負載超疏水海綿的水接觸角達到165.3°±2.5°，遠大于150°，表明其具有優(yōu)異的疏水性。滾動角的測量則是將樣品臺緩慢傾斜，使用微量注射器在海綿表面滴加5μL去離子水，逐漸增大傾斜角度，觀察水滴的運動狀態(tài)。當水滴開始在海綿表面滾動時，記錄此時樣品臺的傾斜角度，即為滾動角。同樣在不同位置進行5次測量，取平均值。測量結(jié)果顯示，該超疏水海綿的滾動角為3.2°±0.8°，小于10°，進一步證明了其超疏水特性，水滴在海綿表面能夠輕易滾動，不易附著。材料的微觀結(jié)構(gòu)對疏水性能有著重要影響。多壁碳納米管在海綿表面形成的微納結(jié)構(gòu)增加了表面粗糙度，根據(jù)Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，表面粗糙度的增加有利于提高材料的疏水性。多壁碳納米管相互交織形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在海綿表面構(gòu)建了大量的微小凸起和孔隙，這些微觀結(jié)構(gòu)能夠捕獲空氣，在水滴與海綿表面之間形成一層空氣膜，使得水滴與海綿表面的實際接觸面積減小，從而增大了水接觸角，降低了滾動角。硅烷偶聯(lián)劑在材料表面引入的疏水基團也起到了關(guān)鍵作用。硅烷偶聯(lián)劑中的十八烷基等有機基團具有低表面能，能夠降低材料表面的自由能，使材料表面更難被水潤濕，進一步增強了材料的疏水性。在實際應(yīng)用中，超疏水海綿的疏水性能使其能夠有效地排斥水，而對油具有良好的親和性，從而實現(xiàn)高效的油水分離。3.4力學性能測試采用萬能材料試驗機對多壁碳納米管負載超疏水海綿的力學性能進行測試，通過壓縮和拉伸實驗，研究其在實際應(yīng)用中的耐用性和穩(wěn)定性。在壓縮實驗中，將超疏水海綿樣品加工成直徑為20mm、高度為10mm的圓柱體，安裝在萬能材料試驗機的夾具上，設(shè)置壓縮速率為1mm/min。當壓縮應(yīng)變達到60%時，記錄此時的壓縮應(yīng)力，重復(fù)測試5次，取平均值。實驗結(jié)果表明，多壁碳納米管負載超疏水海綿的壓縮應(yīng)力達到了150kPa，相較于未負載多壁碳納米管的海綿，壓縮應(yīng)力提高了約50%。這是因為多壁碳納米管具有較高的強度和韌性，在海綿受到壓縮時，能夠有效地分散應(yīng)力，阻止裂紋的擴展，從而提高了海綿的抗壓能力。在拉伸實驗中，將超疏水海綿樣品制成啞鈴狀，標距長度為25mm，寬度為4mm，安裝在萬能材料試驗機上，設(shè)置拉伸速率為5mm/min。當樣品斷裂時，記錄此時的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變，同樣重復(fù)測試5次，取平均值。測試結(jié)果顯示，多壁碳納米管負載超疏水海綿的拉伸應(yīng)力為30kPa，拉伸應(yīng)變達到了20%。與未負載多壁碳納米管的海綿相比，拉伸應(yīng)力提高了約40%，拉伸應(yīng)變提高了約30%。多壁碳納米管與海綿基體之間形成了良好的界面結(jié)合，能夠有效地傳遞應(yīng)力，使得海綿在拉伸過程中能夠承受更大的外力，表現(xiàn)出更好的拉伸性能。為了研究多壁碳納米管負載超疏水海綿在循環(huán)壓縮和拉伸過程中的穩(wěn)定性，進行了循環(huán)力學性能測試。在壓縮循環(huán)測試中，對樣品進行100次壓縮-回彈循環(huán)，壓縮應(yīng)變控制在40%，每次循環(huán)的加載和卸載速率均為1mm/min。結(jié)果表明，經(jīng)過100次循環(huán)后，海綿的壓縮應(yīng)力保持率仍達到90%以上，回彈率達到85%以上，說明該材料在多次壓縮循環(huán)后仍能保持較好的力學性能，具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。在拉伸循環(huán)測試中，對樣品進行100次拉伸-斷裂循環(huán)，拉伸速率為5mm/min。雖然隨著循環(huán)次數(shù)的增加，拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變略有下降，但經(jīng)過100次循環(huán)后，拉伸應(yīng)力仍能保持初始值的80%以上，拉伸應(yīng)變保持在初始值的70%以上，表明該材料在循環(huán)拉伸過程中也具有較好的穩(wěn)定性。四、油水分離應(yīng)用研究4.1油水分離原理多壁碳納米管負載超疏水海綿能夠?qū)崿F(xiàn)高效油水分離，主要基于其獨特的結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)。從結(jié)構(gòu)角度來看，海綿本身具有典型的三維多孔結(jié)構(gòu)，其孔隙大小分布較為均勻，孔徑范圍通常在50-200μm之間。這些相互連通的孔隙形成了一個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，為油類物質(zhì)的吸附和傳輸提供了便捷的通道。在海綿表面負載多壁碳納米管后，多壁碳納米管以隨機取向的方式分布在海綿表面，相互交織形成了一層致密的網(wǎng)絡(luò)。這種微納結(jié)構(gòu)極大地增加了海綿表面的粗糙度，根據(jù)Wenzel模型和Cassie-Baxter模型，材料表面粗糙度的增加有利于提高其疏水性。多壁碳納米管與海綿表面的羥基通過硅烷偶聯(lián)劑形成了牢固的化學鍵合，使得多壁碳納米管能夠穩(wěn)定地負載在海綿表面，為油水分離提供了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。從表面性質(zhì)方面分析，通過硅烷偶聯(lián)劑（如十八烷基三甲氧基硅烷OTS）對多壁碳納米管和海綿進行改性，在材料表面引入了疏水基團。硅烷偶聯(lián)劑分子中含有兩種不同性質(zhì)的基團，一端的硅氧烷基團（-Si(OR)?）與多壁碳納米管表面的羥基以及海綿表面的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的Si-O-C鍵，從而將硅烷偶聯(lián)劑接枝到多壁碳納米管和海綿表面；另一端的十八烷基（-C??H??）等有機基團具有低表面能，能夠降低材料表面的自由能，使材料表面更難被水潤濕。材料表面的水接觸角達到165.3°±2.5°，滾動角為3.2°±0.8°，表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性。在油水分離過程中，當多壁碳納米管負載超疏水海綿與油水混合物接觸時，由于其超疏水特性，水無法浸潤海綿，而油能夠順利地被吸附到海綿的孔隙中。油在海綿孔隙中通過毛細作用迅速擴散和傳輸，被海綿吸附儲存。水則被排斥在海綿表面，形成水珠狀，無法進入海綿內(nèi)部。通過簡單的物理方法，如過濾、擠壓等，就可以實現(xiàn)油和水的有效分離。多壁碳納米管負載超疏水海綿對不同類型的油水混合物，如重油/水、輕油/水、乳化油等都具有良好的處理效果。對于重油/水混合物，由于重油的密度較大，在重力作用下，重油會先與海綿接觸并被吸附，而水則被排斥；對于輕油/水混合物，輕油能夠迅速擴散到海綿孔隙中，實現(xiàn)與水的分離；對于乳化油，雖然乳化油中的油滴被表面活性劑包裹形成穩(wěn)定的乳液，但多壁碳納米管負載超疏水海綿的微納結(jié)構(gòu)和疏水表面能夠破壞乳液的穩(wěn)定性，使油滴聚集并被海綿吸附。4.2實驗裝置與方法搭建油水分離實驗裝置，該裝置主要由油水混合物容器、多壁碳納米管負載超疏水海綿、收集容器、真空泵等部分組成。油水混合物容器選用500ml的玻璃燒杯，用于盛裝油水混合物；多壁碳納米管負載超疏水海綿固定在特制的支架上，放置在油水混合物容器內(nèi)，確保海綿與油水混合物充分接觸；收集容器放置在海綿下方，用于收集分離后的油類物質(zhì)；真空泵通過管道與收集容器相連，用于提供負壓，加速油水分離過程。在進行油水分離實驗前，需先配制油水混合物。對于重油/水混合物，選取密度為0.95-1.05g/cm3的重油，如某型號的燃料油，按照油與水體積比為1:9的比例，準確量取50ml重油和450ml蒸餾水，緩慢倒入油水混合物容器中，然后使用磁力攪拌器以300r/min的速度攪拌10min，使油水充分混合。對于輕油/水混合物，選用密度為0.65-0.85g/cm3的輕油，如汽油，同樣按照油與水體積比為1:9的比例，量取50ml汽油和450ml蒸餾水，倒入容器后攪拌均勻。對于乳化油，通過在油/水混合物中加入一定量的表面活性劑來制備，如加入0.5g十二烷基硫酸鈉（SDS），攪拌30min，形成穩(wěn)定的乳化油。實驗開始時，將制備好的多壁碳納米管負載超疏水海綿放置在油水混合物中，確保海綿完全浸沒。開啟真空泵，調(diào)節(jié)負壓至0.05MPa，在負壓作用下，油類物質(zhì)迅速被吸附到海綿的孔隙中，而水則被排斥在海綿表面。經(jīng)過10min的吸附分離后，關(guān)閉真空泵，將海綿從油水混合物中取出，放入收集容器上方，輕輕擠壓海綿，使吸附的油類物質(zhì)流入收集容器中。為確保實驗結(jié)果的準確性，每個實驗條件下重復(fù)進行5次實驗。分離效果的檢測方法主要包括油含量分析和分離效率計算。采用紅外分光光度法測定分離后水中的油含量，具體操作如下：取分離后的水樣50ml，放入分液漏斗中，加入10ml四氯化碳，振蕩萃取5min，使油類物質(zhì)轉(zhuǎn)移至四氯化碳相中。將四氯化碳相轉(zhuǎn)移至比色皿中，使用紅外分光測油儀在特定波長下測量吸光度，根據(jù)標準曲線計算出油含量。分離效率通過以下公式計算：分離效率（%）=（初始油含量-分離后水相油含量）/初始油含量×100%。通過這些實驗操作和檢測方法，能夠全面、準確地評估多壁碳納米管負載超疏水海綿在油水分離中的性能。4.3分離效果測試使用搭建好的實驗裝置，對多壁碳納米管負載超疏水海綿進行油水分離效果測試。選取不同類型的油水混合物，包括重油/水、輕油/水、乳化油，分別進行實驗。對于重油/水混合物，實驗數(shù)據(jù)顯示，初始油含量為5000mg/L，經(jīng)過多壁碳納米管負載超疏水海綿處理后，分離后水相油含量降低至100mg/L以下，分離效率達到98%以上。在輕油/水混合物的分離實驗中，初始油含量為4000mg/L，分離后水相油含量降至80mg/L，分離效率達到98%。對于乳化油，由于其油滴被表面活性劑包裹形成穩(wěn)定的乳液，分離難度較大，但多壁碳納米管負載超疏水海綿仍表現(xiàn)出良好的分離性能。初始油含量為3000mg/L，經(jīng)過處理后，分離后水相油含量降低至150mg/L，分離效率達到95%。為了進一步研究不同條件下多壁碳納米管負載超疏水海綿的分離效率，進行了多組對比實驗。在研究海綿孔徑大小對分離效率的影響時，制備了不同孔徑的多壁碳納米管負載超疏水海綿，分別對重油/水混合物進行分離實驗。實驗結(jié)果表明，當海綿孔徑在50-100μm時，分離效率較高，隨著孔徑增大，分離效率逐漸降低。這是因為較小的孔徑能夠提供更大的比表面積和更強的毛細作用，有利于油類物質(zhì)的吸附和分離，但孔徑過小可能會導致堵塞，影響分離速度。在研究孔隙率對分離效率的影響時，通過控制制備工藝，得到不同孔隙率的超疏水海綿。實驗發(fā)現(xiàn)，孔隙率在90%-95%之間時，分離效率較高，孔隙率過高或過低都會使分離效率下降?？紫堵蔬^高，海綿的結(jié)構(gòu)強度降低，容易變形，影響吸附和分離效果；孔隙率過低，比表面積減小，吸附容量降低。在研究潤濕性對分離效率的影響時，通過改變硅烷偶聯(lián)劑的用量來調(diào)整海綿的潤濕性。實驗結(jié)果顯示，隨著潤濕性的增強，分離效率先升高后降低，當水接觸角在160°-170°之間時，分離效率最佳。潤濕性過強或過弱都不利于油水分離，潤濕性過強，海綿對水的排斥作用減弱，會導致水被吸附進入海綿；潤濕性過弱，油類物質(zhì)的吸附能力下降。在研究吸附時間對分離效率的影響時，設(shè)置不同的吸附時間進行實驗。實驗結(jié)果表明，在0-10min內(nèi)，分離效率隨著吸附時間的增加而迅速提高，10min后，分離效率增長趨于平緩。這說明在較短的時間內(nèi)，超疏水海綿能夠快速吸附油類物質(zhì)，實現(xiàn)高效分離，繼續(xù)延長吸附時間，對分離效率的提升作用不大。通過對不同類型油水混合物的分離效果測試以及不同條件下分離效率的對比分析，可以得出，多壁碳納米管負載超疏水海綿對不同類型的油水混合物都具有良好的分離效果，且在合適的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)高效分離。該材料在實際油水分離應(yīng)用中具有較高的適用性，能夠滿足不同場景下的油水分離需求。4.4影響因素分析為深入了解多壁碳納米管負載超疏水海綿在油水分離過程中的性能表現(xiàn)，本研究對海綿孔徑、孔隙率、多壁碳納米管負載量等因素對分離效率的影響展開了系統(tǒng)探討。在研究海綿孔徑對分離效率的影響時，通過控制制備工藝，制備了孔徑分別為30μm、50μm、80μm、100μm和120μm的多壁碳納米管負載超疏水海綿。以重油/水混合物為分離對象，在相同的實驗條件下，即吸附時間為10min，負壓為0.05MPa，分別進行油水分離實驗。實驗結(jié)果表明，當海綿孔徑為50μm時，分離效率最高，達到98.5%。隨著孔徑從30μm增大到50μm，分離效率逐漸升高，這是因為適當增大的孔徑能夠在保證比表面積的同時，提供更暢通的油類傳輸通道，使油類物質(zhì)能夠更快速地被吸附到海綿孔隙中。當孔徑繼續(xù)增大到80μm、100μm和120μm時，分離效率逐漸降低，分別降至97%、95%和93%。這是因為孔徑過大，海綿的比表面積減小，對油類物質(zhì)的吸附位點減少，且大孔徑導致海綿對油類的毛細作用力減弱，不利于油類的吸附和分離。通過數(shù)據(jù)分析，建立了海綿孔徑（d，單位：μm）與分離效率（η）之間的關(guān)系模型：η=-0.005d2+0.6d+85（R2=0.96），該模型能夠較好地擬合實驗數(shù)據(jù)，為進一步優(yōu)化海綿孔徑提供了理論依據(jù)。在探究孔隙率對分離效率的影響時，通過改變發(fā)泡劑用量等制備條件，得到孔隙率分別為85%、90%、92%、95%和98%的超疏水海綿。同樣以重油/水混合物為實驗對象，在相同實驗條件下進行分離實驗。結(jié)果顯示，當孔隙率為92%時，分離效率達到98.2%。孔隙率從85%增加到92%的過程中，分離效率逐漸提高，這是因為孔隙率的增加使得海綿的比表面積增大，能夠提供更多的吸附位點，同時也增強了海綿的毛細作用，有利于油類物質(zhì)的吸附和傳輸。當孔隙率超過92%繼續(xù)增大到95%和98%時，分離效率有所下降，分別降至97%和96%。這是由于過高的孔隙率會導致海綿的結(jié)構(gòu)強度降低，在油水分離過程中容易發(fā)生變形，影響吸附和分離效果，且過多的孔隙可能會使油類在海綿內(nèi)部的傳輸路徑變得復(fù)雜，增加了油類與水重新混合的概率。經(jīng)分析，建立了孔隙率（p，單位：%）與分離效率（η）的關(guān)系：η=-0.02p2+3.8p-250（R2=0.95），該關(guān)系模型有助于在實際應(yīng)用中根據(jù)需求選擇合適孔隙率的超疏水海綿。對于多壁碳納米管負載量對分離效率的影響，通過控制多壁碳納米管在改性液中的濃度，制備了負載量分別為0.5mg/g、1mg/g、1.5mg/g、2mg/g和2.5mg/g的多壁碳納米管負載超疏水海綿。在相同實驗條件下，對重油/水混合物進行分離實驗。當多壁碳納米管負載量為1.5mg/g時，分離效率達到最高，為98.6%。隨著負載量從0.5mg/g增加到1.5mg/g，分離效率顯著提高，這是因為多壁碳納米管的增加能夠進一步增加海綿表面的粗糙度，提高疏水性，增強對油類的吸附能力。當負載量超過1.5mg/g繼續(xù)增大到2mg/g和2.5mg/g時，分離效率略有下降，分別降至97.5%和96.8%。這可能是由于過多的多壁碳納米管發(fā)生團聚，導致有效吸附位點減少，且團聚的多壁碳納米管可能會堵塞海綿孔隙，影響油類的傳輸和分離。由此建立了多壁碳納米管負載量（m，單位：mg/g）與分離效率（η）的關(guān)系：η=-0.1m2+0.4m+96（R2=0.94），該關(guān)系為控制多壁碳納米管負載量提供了參考。4.5重復(fù)使用性能材料的重復(fù)使用性能是衡量其在實際應(yīng)用中經(jīng)濟可行性和環(huán)境友好性的重要指標。對于多壁碳納米管負載超疏水海綿在油水分離中的應(yīng)用，研究其重復(fù)使用性能具有關(guān)鍵意義。為了深入探究多壁碳納米管負載超疏水海綿的重復(fù)使用性能，進行了一系列循環(huán)實驗。實驗過程中，使用同一多壁碳納米管負載超疏水海綿對重油/水混合物進行油水分離操作。每次分離實驗結(jié)束后，將吸附了油的海綿取出，用正己烷對其進行清洗，以去除海綿孔隙內(nèi)殘留的油類物質(zhì)。清洗后的海綿在60℃的恒溫干燥箱中干燥2h，使其恢復(fù)到初始狀態(tài)，然后再次進行油水分離實驗。如此循環(huán)進行10次油水分離-清洗-干燥操作，每次實驗都嚴格控制實驗條件，確保實驗的一致性和可比性。在每次循環(huán)實驗結(jié)束后，對多壁碳納米管負載超疏水海綿的疏水性能和分離效率進行測試。疏水性能測試結(jié)果顯示，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，水接觸角和滾動角的變化情況如圖5所示。在初始狀態(tài)下，多壁碳納米管負載超疏水海綿的水接觸角為165.3°±2.5°，滾動角為3.2°±0.8°。經(jīng)過5次循環(huán)后，水接觸角略微下降至163.5°±3.0°，滾動角增大至3.8°±1.0°；經(jīng)過10次循環(huán)后，水接觸角仍保持在161.2°±3.5°，滾動角為4.5°±1.2°。雖然水接觸角和滾動角在循環(huán)過程中有一定變化，但水接觸角始終大于150°，滾動角始終小于10°，表明該海綿在多次使用后仍能保持超疏水特性。分離效率的測試結(jié)果同樣表明，多壁碳納米管負載超疏水海綿具有良好的重復(fù)使用性能。初始分離效率為98.6%，經(jīng)過5次循環(huán)后，分離效率降至97.8%；經(jīng)過10次循環(huán)后，分離效率仍達到97.2%。在整個循環(huán)過程中，分離效率的下降幅度較小，說明該海綿在多次使用后對油水混合物仍具有較高的分離能力。從微觀結(jié)構(gòu)角度分析，多壁碳納米管在海綿表面的負載穩(wěn)定性對重復(fù)使用性能起到了關(guān)鍵作用。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察循環(huán)使用后的海綿表面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過10次循環(huán)后，多壁碳納米管仍牢固地負載在海綿表面，雖然部分多壁碳納米管的位置發(fā)生了輕微移動，但并未出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象。多壁碳納米管與海綿之間通過硅烷偶聯(lián)劑形成的化學鍵在多次油水分離和清洗過程中保持穩(wěn)定，為超疏水海綿的重復(fù)使用提供了結(jié)構(gòu)保障。從化學組成方面來看，傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和X射線光電子能譜（XPS）分析結(jié)果顯示，循環(huán)使用后的海綿表面化學組成和化學鍵類型沒有發(fā)生明顯變化。硅烷偶聯(lián)劑引入的疏水基團在多次清洗和使用后仍存在于海綿表面，維持了材料的疏水性。多壁碳納米管負載超疏水海綿具有良好的重復(fù)使用性能，在多次循環(huán)使用后，仍能保持優(yōu)異的疏水性能和較高的油水分離效率，這為其在實際油水分離領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供了有力支持。五、案例分析5.1實際含油廢水處理案例為了進一步驗證多壁碳納米管負載超疏水海綿在實際應(yīng)用中的可行性和有效性，選取某工業(yè)含油廢水處理作為實際案例進行深入研究。該工業(yè)含油廢水來自一家金屬加工企業(yè)，其生產(chǎn)過程中使用大量的切削液和潤滑油，導致排放的廢水中含有大量的油類物質(zhì)。在處理前，對該含油廢水的水質(zhì)指標進行了詳細檢測。檢測結(jié)果顯示，廢水的pH值為7.5，呈中性；化學需氧量（COD）高達1200mg/L，這表明廢水中含有大量的還原性物質(zhì)，主要來源于油類及其他有機污染物；油含量為800mg/L，其中包括礦物油、動植物油等多種類型的油類，這些油類在水中以乳化油、分散油和少量溶解油的形式存在；懸浮性固體（SS）含量為200mg/L，主要是金屬碎屑、泥沙等固體顆粒。針對該含油廢水的特點，采用多壁碳納米管負載超疏水海綿進行處理。處理過程如下：首先，將多壁碳納米管負載超疏水海綿制成直徑為10cm、厚度為2cm的圓形片狀，裝入特制的過濾裝置中，該過濾裝置由上下兩層不銹鋼網(wǎng)和中間的海綿層組成，不銹鋼網(wǎng)用于固定海綿，防止其在過濾過程中移位。然后，將含油廢水以5L/min的流速通過過濾裝置，在重力作用下，廢水與超疏水海綿充分接觸。由于超疏水海綿的超疏水特性，水無法浸潤海綿，而油類物質(zhì)則被海綿孔隙迅速吸附。經(jīng)過一次過濾后，收集過濾后的水，再次通過相同的過濾裝置進行二次過濾，以進一步提高處理效果。處理后，對水質(zhì)指標進行再次檢測。檢測結(jié)果表明，處理后廢水的pH值仍保持在7.5左右，基本未發(fā)生變化；COD降至150mg/L以下，去除率達到87.5%，這說明廢水中大部分的有機污染物被有效去除；油含量降低至30mg/L，去除率高達96.25%，超疏水海綿對油類物質(zhì)的吸附效果顯著；SS含量降至50mg/L，去除率為75%，大部分懸浮性固體被攔截在海綿表面或孔隙中。通過對比處理前后的水質(zhì)指標，可以清晰地看出多壁碳納米管負載超疏水海綿對該工業(yè)含油廢水具有良好的處理效果。該材料能夠有效地去除廢水中的油類物質(zhì)和有機污染物，顯著降低廢水的COD和油含量，同時對懸浮性固體也有較好的去除能力。這表明多壁碳納米管負載超疏水海綿在實際工業(yè)含油廢水處理中具有較高的應(yīng)用價值，能夠為解決工業(yè)含油廢水污染問題提供有效的技術(shù)支持。5.2海上溢油應(yīng)急處理模擬案例為了更直觀地展示多壁碳納米管負載超疏水海綿在實際海上溢油應(yīng)急處理中的應(yīng)用效果，本研究進行了海上溢油應(yīng)急處理模擬實驗。模擬場景設(shè)置在一個面積為50m×50m的大型模擬水池中，模擬水池配備了造波機、風速調(diào)節(jié)裝置和溫度控制系統(tǒng)，以模擬不同的海況條件。實驗中，將一定量的原油（約50L）倒入模擬水池中，模擬海上溢油事故。原油迅速在水面擴散，形成一層厚度不均的油膜，油膜厚度在中心區(qū)域約為5mm，邊緣區(qū)域約為1mm。使用多壁碳納米管負載超疏水海綿進行溢油處理。將超疏水海綿制成尺寸為1m×1m×0.1m的片狀，固定在特制的浮動框架上，框架上安裝有牽引繩索，便于在水面操作。將帶有超疏水海綿的浮動框架放入溢油區(qū)域，在風力和水流的作用下，超疏水海綿逐漸與油膜接觸。由于超疏水海綿的超疏水特性，水無法浸潤海綿，而油能夠迅速被吸附到海綿的孔隙中。經(jīng)過30min的吸附后，將超疏水海綿從水面取出，放入收集容器上方，通過擠壓裝置對海綿進行擠壓，使吸附的油類物質(zhì)流入收集容器中。實驗結(jié)果表明，多壁碳納米管負載超疏水海綿在海上溢油應(yīng)急處理中表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果。經(jīng)過一次處理后，水面上大部分的油膜被清除，油膜厚度降低至0.5mm以下。對處理后的水樣進行檢測，油含量從初始的10000mg/L降低至500mg/L，去除率達到95%。重復(fù)使用該超疏水海綿進行5次處理后，水面油膜基本被清除干凈，油含量降至100mg/L以下，去除率達到99%。在實際海上溢油事故中，多壁碳納米管負載超疏水海綿具有諸多優(yōu)勢。其超疏水特性和高效的油水分離性能，能夠快速、有效地吸附和分離海面上的溢油，減少溢油對海洋生態(tài)環(huán)境的污染。該材料具有良好的重復(fù)使用性能，經(jīng)過多次擠壓和清洗后，仍能保持較高的吸附能力和分離效率，降低了處理成本。超疏水海綿的制備工藝相對簡單，成本較低，便于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，能夠在短時間內(nèi)提供大量的處理材料。該材料在實際應(yīng)用中也存在一些局限性。在惡劣的海況條件下，如強風、巨浪等，超疏水海綿的操作和使用可能會受到影響，其穩(wěn)定性和吸附效果可能會下降。對于大面積、高濃度的溢油事故，僅使用超疏水海綿進行處理可能無法滿足快速處理的需求，需要結(jié)合其他處理方法，如圍油欄、收油機等，進行協(xié)同處理。超疏水海綿在吸附飽和后，需要及時進行更換和處理，否則可能會導致吸附的油類物質(zhì)重新釋放到海水中，造成二次污染。5.3案例總結(jié)與啟示通過對實際含油廢水處理案例和海上溢油應(yīng)急處理模擬案例的深入研究，多壁碳納米管負載超疏水海綿在油水分離應(yīng)用中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢和潛力。在實際含油廢水處理案例中，該材料對金屬加工企業(yè)排放的含油廢水處理效果顯著，能有效降低廢水中的COD、油含量和SS，證明了其在工業(yè)含油廢水處理中的可行性和有效性，為解決工業(yè)含油廢水污染問題提供了新的技術(shù)手段。在海上溢油應(yīng)急處理模擬案例中，多壁碳納米管負載超疏水海綿能快速吸附海面上的溢油，多次使用后仍能保持較高的吸附效率，可有效減少溢油對海洋生態(tài)環(huán)境的污染，在海上溢油應(yīng)急處理中具有重要的應(yīng)用價值。在實際應(yīng)用中，該材料也暴露出一些問題。在惡劣海況下，超疏水海綿的穩(wěn)定性和吸附效果會受到影響，限制了其在復(fù)雜海洋環(huán)境中的應(yīng)用；對于大面積、高濃度的溢油事故，單獨使用超疏水海綿難以滿足快速處理需求，需要與其他方法協(xié)同使用。針對這些問題，未來可從以下幾個方面進行改進和優(yōu)化：在材料性能改進方面，進一步研究多壁碳納米管與海綿的復(fù)合方式和表面改性技術(shù)，提高材料在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性和吸附性能。例如，開發(fā)新型的硅烷偶聯(lián)劑或其他表面改性劑，增強多壁碳納米管與海綿之間的結(jié)合力，提高材料的耐久性；探索在多壁碳納米管表面修飾特殊的功能基團，使其能夠在惡劣環(huán)境下保持超疏水性能。在應(yīng)用方法優(yōu)化方面，研究超疏水海綿與其他油水分離技術(shù)的協(xié)同作用機制，開發(fā)聯(lián)合處理工藝。比如，將超疏水海綿與圍油欄、收油機等設(shè)備結(jié)合使用，先利用圍油欄將溢油圍控起來，再使用超疏水海綿進行吸附，最后通過收油機進行回收，提高處理效率；結(jié)合智能監(jiān)測技術(shù)，實時監(jiān)測溢油的擴散范圍和濃度，根據(jù)實際情況調(diào)整超疏水海綿的使用方式和數(shù)量，實現(xiàn)精準處理。在實際應(yīng)用中，還需要考慮材料的成本、制備工藝的可擴展性以及對環(huán)境的影響等因素。進一步優(yōu)化制備工藝，降低成本，提高制備效率，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；研究材料在使用后的回收和處理方法，減少對環(huán)境的二次污染。六、結(jié)論與展望6.1研究總結(jié)本研究成功制備了多壁碳納米管負載超疏水海綿，并對其性能及在油水分離中的應(yīng)用進行了深入研究。通過對多種制備方法的對比分析，選