周 龍，杜國勇，鄧春萍

（西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，成都 610500）

0 前言

由于頻繁的漏油和有機(jī)物泄漏事故，油水分離技術(shù)在過去幾十年中在世界范圍內(nèi)引起了極大的關(guān)注［1?3］。例如，2010 年深水地平線鉆井裝置的爆炸事件向墨西哥灣排放了至少500 萬桶石油［4?5］。這種含油廢水污染了1 000 多英里的海岸線，對生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響［5］。傳統(tǒng)的處理方法包括撇油船、浮柵、控制燃燒和化學(xué)分散劑，通常用于漏油事件［6?7］。然而，這些方法存在分離效率低和操作成本高的缺點(diǎn)。為了克服這 些 局限性，氣凝 膠［8?10］、泡沫［11?12］、膜［13?16］和海綿［17?20］等多孔材料由于其簡單、重量輕、滲透性好和對油水混合物的選擇性吸收能力，被廣泛研究為潛在的替代品。

受到自然界許多動(dòng)植物的啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)出很多具有特殊潤濕性的油水分離材料，包括超親油疏水材料和超親水疏油材料等。利用超親油疏水材料進(jìn)行油水分離雖然具有材料易于制得及油水分離效果好的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些缺陷，例如在長期操作中，親油孔容易被殘余油污染，導(dǎo)致油滲透和分離效率降低。此外，油的密度通常低于水，因此水層可防止重力驅(qū)動(dòng)分離過程中的油滲透，因此此類材料不適合處理富水含油廢水。從實(shí)際操作的角度來看，開發(fā)親水和疏油海綿為油水分離提供了另一條可行的途徑。然而，根據(jù)Young方程和Fowkes 理論［21?22］，在空氣中同時(shí)制備親水和疏油表面是困難的。在大多數(shù)情況下，疏油表面也具有疏水性，因?yàn)樗谋砻鎻埩Ω哂谟秃陀袡C(jī)溶劑。Kota 等的工作首次證明了在空氣和水下具有超親水性和超疏油性的膜表面，該膜表面由20 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氟癸基多面體低聚物倍半硅氧烷和交聯(lián)聚（乙二醇）二丙烯酸酯的混合物制備，合成的膜對一系列不同的油水混合物表現(xiàn)出優(yōu)異的分離效率，并在多次循環(huán)中具有穩(wěn)定的滲透通量，顯示出對油污染的抵抗力［23］?？紤]到含氟化學(xué)品對環(huán)境的適應(yīng)性，最近的努力已轉(zhuǎn)向無氟方法，即建造水下疏油表面。幾項(xiàng)研究表明，在水凝膠、聚合物和金屬氧化物等各種材料中成功制備了水下疏油性能［24?26］。然而，大多數(shù)水下疏油表面都是通過繁瑣的改性過程制成的，這限制了它們的可擴(kuò)展性和進(jìn)一步應(yīng)用的潛力。因此，以具有成本效益的方式開發(fā)具有親水性和水下疏油性的功能材料是非常有意義的。CS 含有大量的極性官能團(tuán)，如氨基和羥基，研究表明它可以選擇性地吸收油水混合物，因此CS 常被用來作為制備超親水材料。GO 含有許多含氧極性官能團(tuán)，如羥基、羧基、羰基和環(huán)氧基，使GO 具有親水性，因此GO 常被用來作為對材料進(jìn)行親水改性，例如對于GO 改性的金屬網(wǎng)和膜，水合層有助于油水分離，疏油性可防止金屬網(wǎng)和薄膜被油污染。

考慮到上述優(yōu)點(diǎn)，采用改進(jìn)的Hummers 法制備GO，這是一種簡單、高效和環(huán)保的材料和方法，將立體的三維互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的PU 作為基底，通過兩步浸漬法將先后將CS 和GO 負(fù)載在PU 上，對海綿表面進(jìn)行親水改性，成功得到了PU?GO@CS。改性PU 具有較好的熱穩(wěn)定性、良好的彈性性能、較好的吸水能力、出色的油水分離性能和優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性，表明其在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的潛力，可用于溢油清理和水凈化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

鱗片石墨，45 μm，青島天盛達(dá)石墨有限公司；

高錳酸鉀，優(yōu)級(jí)純，成都市科隆化學(xué)品有限公司；

濃硫酸，98 %，成都市科龍化工試劑廠；

硝酸鈉、濃鹽酸、冰乙酸、甲苯和正己烷，分析純，成都市科龍化工試劑廠；

過氧化氫，30 %，成都市科龍化工試劑廠；

無水乙醇，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

輕柴油，0#，中國石油四川成都銷售分公司；

潤滑油，中國石油天然氣股份有限公司成都潤滑油廠；

菜籽油，益嘉里（重慶）糧油有限公司；

橄欖油，酸度≤0.8 %，成都紅海糧油有限公司；

聚氨酯海綿，贛州領(lǐng)航貿(mào)易有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

傅里葉紅外光譜儀（FTIR），Nicolet 6700，美國熱電公司；

熱分析儀（TG），METTLER TOLEDO TGA 2 STARe system，中國（上海）梅特勒?托利多公司；

臺(tái)式掃描電子顯微鏡（SEM），Phenmo pro X，美國熱電公司；

接觸角測量儀，KRUSS DSA30S，德國KRUSS公司；

萬能材料試驗(yàn)機(jī)，AG?50KNXPLUS，日本島津有限公司。

1.3 樣品制備

PU?GO@CS 制備：采用改進(jìn)的Hummers 法制備GO［27］；將商業(yè)PU 切成固定形狀（2 cm×2 cm×1 cm），分別用乙醇和純水超聲清洗3次烘干后備用；配制濃度為4 mg/mL 的GO 分散液，稱取1 g GO 加入到裝有250 mL去離子水的燒杯中超聲分散0.5 h，然后將原始PU 浸入GO 分散液，反復(fù)擠壓浸蘸5次后再超聲1 h后取出，在烘干溫度為55 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干后得到PU?GO；配制質(zhì)量濃度為0.4 %的CS 溶液（冰乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %），將制得的PU?GO 浸入CS溶液中，緩慢擠壓浸蘸3 次后取出，在烘干溫度為55 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干后得到PU?GO@CS。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

紅外分析：實(shí)驗(yàn)采用KBr 壓片法將干燥樣品粉末研磨后進(jìn)行壓片，樣品與KBr 的質(zhì)量比為1/100，利用FTIR對樣品進(jìn)行分析；

熱穩(wěn)定性分析：采用TG在氮?dú)夥諊聦悠愤M(jìn)行熱重分析，升溫速率10 ℃/min，溫度范圍是40～600 ℃；

形貌觀察：采用SEM 選取不同放大倍數(shù)對樣品表面進(jìn)行形貌觀察；

表面潤濕性表征：采用接觸角測量儀對海綿表面潤濕性進(jìn)行表征，針頭滴入一定體積的純水液滴和油（有機(jī)溶劑）滴，在室溫下測試樣品表面的靜態(tài)接觸角大??；

力學(xué)性能測試：采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對海綿進(jìn)行力學(xué)壓縮實(shí)驗(yàn)，將改性PU 樣品（2 cm×2 cm×2.5 cm）固定在樣品臺(tái)上，分析海綿在形變?yōu)?0 %時(shí)循環(huán)壓縮10次的應(yīng)力?應(yīng)變曲線；

吸附（水）?擠壓循環(huán)測試：為了測試制備樣品的吸附（水）性能和循環(huán)使用性能，將干燥的改性PU 剪切成塊狀（2 cm×2 cm×1 cm），準(zhǔn)確稱量后浸沒于去離子水中，充分吸附2 min后取出，使其吸水飽和；用干燥潔凈的鑷子取出海綿，待水滴不再滴落后，稱量其吸水后的重量，用式（1）計(jì)算改性PU 的吸水倍數(shù)（Qw，單位質(zhì)量海綿對應(yīng)的最大吸水質(zhì)量，g/g）；將飽和吸水后的改性PU 稱重，然后用鑷子反復(fù)擠壓海綿，直至不再有水滴溢出，稱量后繼續(xù)進(jìn)行飽和吸水實(shí)驗(yàn)，擠出的水收集于干燥的燒杯，重復(fù)上述擠壓?吸附實(shí)驗(yàn)20 次，并按照式（1）計(jì)算出不同循環(huán)使用次數(shù)下海綿的飽和質(zhì)量吸水能力；

式中m1——海綿飽和吸水后的質(zhì)量，g

m0——海綿吸水前的質(zhì)量，g

油水分離性能測試：將原始干燥的PU 和改性PU切成半徑為4 cm 的圓形，并夾在2 個(gè)玻璃管之間；改性PU 被去離子水預(yù)潤濕，然后將柴油、甲苯、正己烷、菜籽油、橄欖油或機(jī)油（25 mL）和去離子水（100 mL）的混合物作為測試溶液添加到系統(tǒng)中，以進(jìn)行油（有機(jī)溶劑）?水分離實(shí)驗(yàn)；油或有機(jī)溶劑用蘇丹Ⅲ染色以獲得視覺清晰度；記錄油或有機(jī)溶劑停止通過海綿滴下時(shí)的分離時(shí)間；整個(gè)分離過程完全由重力驅(qū)動(dòng)，沒有外力；按照式（2）計(jì)算油水分離效率（R0，%）；對柴油、橄欖油和正己烷重復(fù)進(jìn)行上述步驟20次，并按照（2）式計(jì)算其油水分離效率；

式中m2——初始油質(zhì)量，g

m3——玻璃漏斗上層收集的油的質(zhì)量，g

連續(xù)油水分離性能測試：使用改性PU 從油?水混合物中連續(xù)去除水是通過泵輔助過程進(jìn)行的；通過自組裝的分離裝置將油水混合物進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)條件下的選擇性分離（見圖1），即用軟管帶有針頭一端插入到預(yù)潤濕的改性PU中，將其浸入裝有柴油或四氯乙烯（25 mL，用蘇丹Ⅲ染色）和去離子水（100 mL）的混合物的錐形瓶中；軟管帶有針頭的另一端放入錐形瓶以收集水；軟管連接到蠕動(dòng)泵，在泵提供外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，水開始通過改性PU 吸出，油水分離的快慢可隨蠕動(dòng)泵的速度來調(diào)節(jié)；另外，在油水混合物中加入攪拌子來模擬實(shí)際環(huán)境中的含油污水的動(dòng)態(tài)流動(dòng)條件，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的連續(xù)油水分離實(shí)驗(yàn)；

圖1 連續(xù)油水分離模擬裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of continuous oil?water separation simulator

力學(xué)穩(wěn)定性?磨損實(shí)驗(yàn)：將改性PU 切成半徑為4 cm 的圓形樣品，放置在200 g 砝碼下在砂紙上移動(dòng)50 mm，表示1 次磨損，每5 次計(jì)為1 個(gè)循環(huán)，每次循環(huán)磨損后測量1 次柴油/水分離性能，將樣品磨損的一面用于柴油/水分離，方法同油水分離性能測試，以評(píng)估其耐磨性。

2 結(jié)果與分析

2.1 潤濕性能

通過測量空氣中水接觸角和水下油接觸角對原始PU、PU?GO 和改性PU 的潤濕性進(jìn)行了比較，用4.5 μL 水滴分別滴到原始PU 和改性PU 表面進(jìn)行觀察。空氣中PU 和改性PU 的水接觸角測量結(jié)果如圖2（a）和圖2（b）所示，其水接觸角分別為115.14°和0°，說明了GO 和CS 對原始PU 的親水性改性是成功的，成功將疏水海綿改性為親水海綿。水下三氯甲烷接觸角表明，原始PU［如圖2（c）所示］、PU?GO［如圖2（d）所示］和改性PU［如圖2（e）所示］的水下油接觸角分別為0°、136.48°和150.06°，說明了GO對材料的水下疏油性有一定提升，但是不足以達(dá)到水下超疏油效果，經(jīng)過CS 負(fù)載后，改性PU 在水下的疏油性得到了明顯增強(qiáng)，達(dá)到了水下超疏油性效果，表明水下超疏油的改性取得了成功。

圖2 樣品的水接觸角和水下油接觸角Fig.2 Water contact angle and underwater oil contact angle of the samples

2.2 表征測試結(jié)果

2.2.1 SEM表征結(jié)果

根據(jù)表面潤濕模型理論，對于非理想表面，粗糙結(jié)構(gòu)會(huì)對液滴潤濕狀態(tài)產(chǎn)生影響，超親水表面通常具備微納米級(jí)的粗糙度。圖3為原始PU 和改性PU 分別放大500 倍和1 000 倍所對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)SEM 照片。從圖3（a）～（b）可以看出，原始PU 的SEM 照片呈現(xiàn)出光滑的骨架表面和多孔結(jié)構(gòu)，其表面沒有呈現(xiàn)出粗糙結(jié)構(gòu)，不滿足親水條件，若直接用于油水分離，效果較差。由圖3（e）～（f）可以看出，隨著GO 和CS 的加入，PU 的多孔結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，其骨架結(jié)構(gòu)表面上出現(xiàn)微米級(jí)的、無規(guī)則分布的片層褶皺狀負(fù)載物，這使得PU 表面的粗糙度大大增加，由Wenzel 模型可知，粗糙度越大，親水材料會(huì)變得更親水，疏水材料會(huì)變得更疏水，前面的靜態(tài)接觸角測試也證實(shí)了這一點(diǎn)。并且GO 和CS 的加入并沒有堵塞孔隙，它們在增加PU 親水性的同時(shí)，海綿多孔骨架結(jié)構(gòu)還可以有效地吸水并支撐被吸附的水的重量，賦予海綿較大的吸水量。

圖3 樣品的SEM中照片F(xiàn)ig.3 SEM images of the samples

2.2.2 FTIR表征結(jié)果

圖4（a）為石墨、GO 和CS 的FTIR 譜圖?？梢钥闯鑫唇?jīng)氧化處理的石墨，譜圖中沒有出現(xiàn)明顯的吸收峰；經(jīng)改進(jìn)的Hummers 法制備的GO 在3 417.16 cm-1附近較寬區(qū)域出現(xiàn)了明顯的O—H 伸縮振動(dòng)峰，在1 725.98 cm-1處出現(xiàn)了C=O 伸縮振動(dòng)峰，在1 632.22 cm-1處出現(xiàn)了水分子的變形振動(dòng)峰，在1 063.10 cm-1處對應(yīng)環(huán)氧基C—O—C伸縮振動(dòng)峰；CS在3 521.92 cm-1附近的寬度峰是O—H 和N—H 的伸縮振動(dòng)疊加峰，在1 161.18 cm-1處的寬度峰對應(yīng)C—O 伸縮振動(dòng)峰，使得CS具有較強(qiáng)的親水性，同樣可作為PU的表面親水改性材料。圖4（b）為原始PU、PU?GO 和改性PU 的FTIR 譜圖。原始PU 的譜圖顯示出包括在3 422.98 cm-1處的O—H 伸縮振動(dòng)峰，2 973.65 cm-1處的N—H 伸縮振動(dòng)峰，1 724.05 cm-1處的C=O 伸縮振動(dòng)峰，在1 645.76 cm-1處的N—H彎曲振動(dòng)峰，在1 226.13 cm-1處的C—O—C 伸縮振動(dòng)峰，1 110.40 cm-1處的C—H 彎曲振動(dòng)峰，這些吸收峰均為PU 的特征吸收峰。PU?GO 在2 973.65、1 724.05、1 226.13、1 110.40 cm-1位置的吸收峰消失或減弱，代表GO 的主要的吸收峰仍然存在，證明GO成功負(fù)載在PU 上。PU?GO@CS 的FTIR 譜圖與PU?GO 非常接近，并且在3 422.98 cm-1位置加強(qiáng)了吸收峰的強(qiáng)度，這歸因于CS 中—OH 和—NH2的存在，證明CS 也成功負(fù)載在PU 上。FTIR 表明由石墨成功制備了GO，并且GO 和CS 成功負(fù)載在PU 上，圖2 的靜態(tài)接觸角測試也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖4 樣品的FTIR譜圖Fig.4 FTIR spectra of the samples

2.2.3 熱重表征結(jié)果

圖5（a）為石墨、CS和GO的TG曲線?？梢钥闯鲼[片石墨的熱穩(wěn)定性強(qiáng)，在40～600 ℃的質(zhì)量損失率僅為1.7 %，幾乎沒有質(zhì)量損失。GO在40～600 ℃升溫過程中出現(xiàn)了臺(tái)階式的質(zhì)量損失，在40～130 ℃的第一個(gè)臺(tái)階（低溫階段），質(zhì)量損失率為30.2 %，該部分質(zhì)量損失對應(yīng)GO片層間結(jié)合水的蒸發(fā)；在170～240 ℃的第二個(gè)臺(tái)階，質(zhì)量損失率為19.8 %，主要是因?yàn)镚O 的大量含氧官能團(tuán)受熱分解，釋放出CO、CO2和水蒸氣；在270～600 ℃的第三個(gè)臺(tái)階，質(zhì)量損失率為8.5 %，此階段GO 質(zhì)量緩慢而勻速地下降，歸因于GO 碳架結(jié)構(gòu)的高溫?zé)峤饷撗跛?。CS 失重分2 個(gè)階段：第1 階段（40～140 ℃）的質(zhì)量損失率為9.2 %，這是由于失去吸附的水和結(jié)晶水所致；第2 階段（230～400 ℃）質(zhì)量下降顯著，質(zhì)量損失率為46.6 %，這是由于CS 分子結(jié)構(gòu)中的糖苷鍵發(fā)生斷裂，主鏈降解所致；第3 階段（400～600 ℃）的質(zhì)量損失率約為8.8 %，這是由于CS分子中吡喃環(huán)的降解及炭化所致［28］。

圖5 樣品的TG曲線Fig.5 TG curves of the samples

空白PU、PU?GO 和改性PU 的熱失重分析結(jié)果如圖5（b）和表1 所示所示?？梢钥吹?，空白PU 的熱分解可以分為2 個(gè)階段。在220～320 ℃的范圍內(nèi)出現(xiàn)第一次熱失重，質(zhì)量損失率為26 %，該階段的最大質(zhì)量損失速率出現(xiàn)在293 ℃。第一階段的熱失重主要是因?yàn)槟蛲楹碗p取代尿素基團(tuán)發(fā)生解聚反應(yīng)進(jìn)而釋放甲苯二異氰酸酯［29］，320 ℃時(shí)的質(zhì)量保留率為62.2 %。第二階段的熱失重發(fā)生在340～445 ℃之間，是PU在氮?dú)夥諊碌闹饕獰崾е仉A段，主要由聚醚鏈段的熱分解導(dǎo)致的［30］。最大質(zhì)量損失速率溫度（Tmax）出現(xiàn)在此階段，為376 ℃，在600 ℃時(shí)的質(zhì)量保留率為13.7 %。由于GO和CS的強(qiáng)吸水性，其上吸附了一些水分子，因此PU?GO和改性PU的質(zhì)量損失5 %時(shí)的溫度（T5%）比空白PU分別下降了48 ℃和152 ℃，Tmax也逐漸降低，PU?GO和改性PU的熱分解階段由空白PU 的2 個(gè)分別變?yōu)? 個(gè)和4 個(gè)，600 ℃時(shí)的質(zhì)量保留率逐漸增加，表明GO和CS的加入使得改性PU 的熱穩(wěn)定性有所降低，造成這一現(xiàn)象的原因是GO 和CS 的熱穩(wěn)定性能不是很好，兩者協(xié)效使得改性PU 的熱穩(wěn)定性降低，但改性PU 仍能在日常大部分環(huán)境溫度下正常使用。熱失重測試結(jié)果表明由石墨成功制備了GO，且GO 和CS 成功負(fù)載在PU 上，改性PU 具有較好的熱穩(wěn)定性，在150 ℃左右仍能保持良好的結(jié)構(gòu)完整性，能夠適應(yīng)較高溫度的作業(yè)環(huán)境。

表1 樣品熱穩(wěn)定性Tab.1 Thermal stability of the samples

2.3 改性PU性能測試結(jié)果

2.3.1 力學(xué)性能測試結(jié)果

為了考察改性PU 的彈性性能，測試其壓縮應(yīng)變分別為10 %、20 %和40 %時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力?應(yīng)變曲線，如圖6（a）所示，可以看出整個(gè)過程包含3 個(gè)區(qū)域。第一個(gè)區(qū)域是初始的線性區(qū)域，對應(yīng)于彈性區(qū)域，在應(yīng)變小于4 %的區(qū)域，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大；第二個(gè)區(qū)域?yàn)橹械葢?yīng)變壓縮，在應(yīng)變?yōu)? %～35 %的區(qū)域，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而緩慢增大，海綿吸收了大量的能量，骨架出現(xiàn)較大的形變；最后一個(gè)區(qū)域在應(yīng)變大于35 %時(shí)，海綿不斷被壓實(shí)，導(dǎo)致其致密化，進(jìn)而應(yīng)力迅速增大。撤去應(yīng)力后，海綿可以較快地恢復(fù)原來的形狀。在改性PU固定壓縮應(yīng)變?yōu)?0 %的情況下完成10次循環(huán)壓縮實(shí)驗(yàn)，其應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖6（b）所示?？梢钥闯鲭S著循環(huán)壓縮次數(shù)的增加，圧縮曲線呈現(xiàn)右移的趨勢，但最終曲線逐漸趨于穩(wěn)定，間距減小。這是因?yàn)殡S著壓縮次數(shù)的增加，海綿的塑性形變隨之增加，孔隙率降低，密度相應(yīng)變大，海綿結(jié)構(gòu)也逐漸趨于穩(wěn)定，最終僅顯示出輕微的塑性形變。10次循環(huán)壓縮后，改性PU在40 %應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力與初次壓縮的0.011 7 MPa 相比，僅下降0.000 2 MPa，仍展現(xiàn)出良好的彈性性能，表明改性PU 具有較好的機(jī)械耐用性，保證了其在油水分離中通過擠壓循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)多次利用。

圖6 樣品的壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.6 Compressive stress?strain curves of the samples

2.3.2 吸附性能測試結(jié)果

本研究通過循環(huán)測試改性PU 的飽和質(zhì)量吸水能力，考察改性PU 的吸水能力循環(huán)再生性能。改性PU的飽和質(zhì)量吸水能力隨循環(huán)吸水次數(shù)的變化情況如圖7所示，可以看出，將飽和吸水的改性PU 擠壓出吸附的水后，進(jìn)行二次吸水實(shí)驗(yàn)，對水的飽和質(zhì)量吸水能力降低約為18.0 %，下降程度比較明顯。改性PU 因?yàn)槠涑H水性會(huì)使得吸水?dāng)D壓后仍有少量水黏附在海綿骨架上，無法完全擠壓干凈，致使海綿內(nèi)部儲(chǔ)水空間相應(yīng)減小。改性PU的飽和質(zhì)量吸水能力在第2次到第20次均維持在較為穩(wěn)定的水平，循環(huán)吸附?擠壓20 次后為18.975 3 g/g，仍保持較好的吸水能力，且對水下三氯甲烷的接觸角仍能達(dá)到147.64°。

圖7 改性PU的飽和質(zhì)量吸水能力?循環(huán)吸水次數(shù)曲線Fig.7 Saturated mass water absorption capacity of modified PU against cyclic water absorption times

2.3.3 油水分離性能測試結(jié)果

(1) 靜態(tài)油水分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果。油水分離試驗(yàn)在原始PU 和改性PU 的過濾系統(tǒng)中進(jìn)行，其中油水混合物由100 mL 去離子水和25 mL 柴油組成，用于分離試驗(yàn)。從圖8（a）中可以看出，油水混合物倒入頂部玻璃漏斗后，由于原始PU 并未具有超親水性，不能分離出油水混合物，水依靠自身重力通過原始PU 滲透速度較慢，并且在水滴完以后，油滴逐漸掉入底部玻璃容器，并在15 min 內(nèi)完全滴下去。從圖8（b）中可以看出，油水混合物倒入頂部玻璃漏斗后，水層在2 min內(nèi)穿過海綿，油層被海綿隔開，并且沒有油滴落到底部，其良好的油水分離效果歸因于改性PU 表面具有超親水性和水下超疏油性。

圖8 柴油/水混合物分離前后對比Fig.8 Comparison of diesel/water mixture before and after separation

定量研究超親水海綿的油水分離效率，以詳細(xì)評(píng)估其油水分離性能。以橄欖油、潤滑油、菜籽油、柴油、甲苯和正己烷作為代表性油與水混合，以模擬含油廢水。如圖9（a）所示，改性PU 對橄欖油/水，潤滑油/水，菜籽油/水，柴油/水，甲苯/水和正己烷/水混合物的分離效率分別達(dá)到95.2 %～99.4 %。不同的油水混合物表現(xiàn)出不同的分離速率，這歸因于油或有機(jī)溶劑的黏度差異，黏度越大的油或有機(jī)溶劑，在油水分離時(shí)越容易殘留在玻璃漏斗壁上，從而得到更小的油水分離效率。為了驗(yàn)證超親水PU的重復(fù)使用性，通過橄欖油/水，柴油/水，和正己烷/水的混合物的循環(huán)分離10次作為實(shí)例來評(píng)價(jià)。從圖9（b）的結(jié)果顯示，改性PU顯示出出色的可重復(fù)使用性，即使在分離10次后，對選用的油水混合物的分離效率分別為98.3 %、96.8 %和94.3 %，其仍具有良好的油水分離效果。

圖9 樣品的油水分離效率Fig.9 Oil water separation efficiency of the samples

（2）連續(xù)油水分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了提高改性PU的分離效率，通過泵輔助開發(fā)了一種從油水混合物中去除水的連續(xù)工藝，并在蠕動(dòng)泵提供的外部驅(qū)動(dòng)壓力下使用改性PU 演示了該工藝［圖10（a）］。盡管改性PU 放置在柴油?水界面，但它選擇性地從柴油?水中吸收水，在泵提供的外部壓力下，100 mL水從柴油?水混合物中迅速且持續(xù)地排出并進(jìn)入到右邊的玻璃錐形瓶中完成收集，形成一個(gè)連續(xù)過程，直到水幾乎完全被排出。通過輕輕調(diào)節(jié)泵的速度，選擇合適的外部壓力，即使在完全去除水后，也不會(huì)泵出柴油。連續(xù)油水分離的成功主要是因?yàn)楦男訮U 中的超親水性、高孔隙度和表面的粗糙度提供了大量的毛細(xì)通道，使得水可以通過，而油被很好地排斥。將柴油/水混合物更換為四氯乙烯/水混合物進(jìn)行連續(xù)油水分離，也能有效地完成油水分離并且收集水［圖10（b）］。這些結(jié)果表明，GO 和CS 的存在賦予了PU 優(yōu)異的油水分離能力，并且在泵提供外力下使用可以連續(xù)不斷地連續(xù)油水分離。

圖10 連續(xù)油水分離前后對比Fig.10 Result comparison before and after continuous oil?water separation

在現(xiàn)實(shí)世界中，水都是動(dòng)態(tài)流動(dòng)的，因此為了更真實(shí)地模擬動(dòng)態(tài)的油水混合現(xiàn)象，在油水混合物中加入攪拌子，在攪拌的同時(shí)進(jìn)行連續(xù)油水分離實(shí)驗(yàn)［圖11（a）］。在劇烈的攪拌狀態(tài)和泵提供的外部壓力下，水同樣能從柴油?水混合物中迅速且持續(xù)地排出并進(jìn)入到右邊的玻璃錐形瓶中完成收集，形成一個(gè)連續(xù)過程，直到水完全排出。將柴油/水混合物更換為四氯乙烯/水混合物進(jìn)行連續(xù)油水分離，也能有效地完成油水分離并且收集水［圖11（b）］。表明即使在條件很差的動(dòng)態(tài)情況下，改性PU 依舊可以保持很好的選擇連續(xù)油水分離性能。

圖11 柴油/水混合物攪拌狀態(tài)下的連續(xù)油水分離前后對比Fig.11 Result comparison before and after continuous oil?water separation of diesel/water mixture under stirring state

2.3.4 力學(xué)穩(wěn)定性測試結(jié)果

對于超親水海綿的實(shí)際油水分離效果來說，其力學(xué)穩(wěn)定性非常重要。砂紙磨損后的油水分離測量結(jié)果表明，在第一次循環(huán)磨損后其分離效率為98.4 %，高于為未磨損前的97.6 %，可能是將磨損將部分CS 和GO 去掉以后，海綿表面的孔隙得以變大，使得水更容易通過海綿，水通量增大，分離效率升高。隨著磨損循環(huán)次數(shù)增大到第5 次，分離效率降低，可能是海綿表面的GO 和CS 磨損去掉殆盡，海綿表面的粗糙度減小導(dǎo)致親水性減弱，分離效率降低，但海綿表面的孔隙變得更大，水通量繼續(xù)增大，從分離時(shí)間也有減少的趨勢也能證明這一點(diǎn)。磨損循環(huán)次數(shù)從第5 次增大到第10次，分離效率和分離時(shí)間均維持在較為穩(wěn)定的水平，磨損循環(huán)10 次以后，分離效率為96.2 %，分離時(shí)間減少至98 s，仍能保持較高的油水分離性能，可能是海綿表面的GO 和CS 磨損去掉殆盡后，海綿表面的骨架和孔隙并未遭到大的破壞，表面的親水性變化不大，水通量變化同樣變化不大，進(jìn)而分離性能變化不大。這些結(jié)果表明，制備的改性PU 在除去水中油類污染物上有很大的實(shí)用價(jià)值。

圖12 磨損循環(huán)次數(shù)對改性PU油水分離性能的影響Fig.12 Effect of wear cycle times on oil?water separation performance of the modified PU

3 結(jié)論

（1）采用改進(jìn)的Hummers 法制備了GO，采用簡單溫和的兩段浸漬法將GO 和CS 先后負(fù)載在PU 上，對PU進(jìn)行親水改性，靜態(tài)接觸角表明成功制備了超親水?水下超疏油PU?GO@CS海綿；形貌分析、紅外分析、熱重分析結(jié)果表明由石墨成功制備了GO，GO和CS成功負(fù)載在PU 上，這使得改性PU 表現(xiàn)出超親水?水下超疏油性，并且改性PU能150 ℃左右環(huán)境溫度下正常使用；

（2）改性PU 的彈性性能良好，保證了其在油水分離應(yīng)用中的機(jī)械耐用性；循環(huán)吸附?擠壓20次后吸水倍數(shù)為18.975 3 g/g，仍保持較好的吸水能力，且對水下三氯甲烷的接觸角仍能達(dá)到147.64°；改性PU 對選用的6 種油/水混合物的分離效率分別高達(dá)95.2 %～99.4 %；改性PU 顯示出出色的可重復(fù)使用性，即使在循環(huán)分離10 次后，對選用的6 種油/水的混合物分離效率分別為98.3 %、96.8 %和94.3 %，材料仍具有良好的油水分離效果；改性PU 在泵提供外力下使用可以連續(xù)不斷地繼續(xù)油水分離，對選用的2 種油/水混合物的分離效率為99.1 %和98.4 %，在對油水混合物劇烈攪拌的條件很差的動(dòng)態(tài)情況下，改性PU 依舊可以保持很好的選擇連續(xù)油水分離性能；磨損循環(huán)10次以后，改性PU 的油水分離效率為96.2 %，分離時(shí)間較少為98 s，仍能保持較好的油水分離性能；

（3）制備的PU?GO@CS 在油水分離中有很大的實(shí)用價(jià)值，具有很好的潛力，可用于溢油清理和水凈化。