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具超親水與水下超疏油特性複合材料的應用

105/10/04 瀏覽次數 4239
全球漏油汙染頻傳,油水分離與水面上有機汙染物的移除技術是目前解決漏油汙染的手段。傳統油水分離方法常有以下限制,例如油水分離效率低、耗能與裝置複雜等。因此,發展新的高分離效率技術,同時具備節能與簡易操作特性是的新興熱門研究課題。目前油水分離材料之研究方向可分為超疏水(superhydrophobic)、超親油(superoleophilic)、超親水(superhydrophilic)、或水下超疏油(underwater superoleophobic)材料等。許多文獻接著眼於超疏水及超親油材料之製備與應用,然而新的研究指出超親水或水下超疏油材料在油水分離上具有更良好的實用性。因為一般油水混合液中,水在下層(因密度比油大),當水接觸到超親水或水下超疏油材料時,可順利穿透此材料,而油污會備材料所阻擋。因此,相對於傳統技術,利用超親水或水下超疏油材料進行油水分離試驗具有效率更好的優勢。

Jiang等人發現具有微奈米二級結構之超疏水表面具有特殊的水下超疏油特性。因為他們發現魚鱗在空氣中為超親水且超親油狀態,不過當魚鱗浸入水中時會展現超疏油的現象!此現象可使魚在水中游動時油汙不依沾附於他們的身體上,因而可保持清潔。研究發現,表面具微奈米二級粗糙結構的超親水矽晶片,在水面下具有超疏油特性,油滴的接觸角為175度。由油滴在水中接觸此表面再移除的實驗中可發現,具有微奈米二級粗糙結構的超親水矽晶片,完全不會對油滴產生黏著性,油滴可輕易的從此表面移除。此研究開啟了後續有關水下超疏油材料的研究與應用的大門,促成許多奈米材料領域的學者相繼投入研發。

例如,Feng等人將水凝膠(hydrogel)鍍於不銹鋼網表面,利用不銹鋼網提供微米等級的粗糙度,再藉由水凝膠提供親水性與奈米等級的粗糙度,形成一具有超親水與水下超疏油的網狀物。當此網狀物浸入水中時,油滴極易在其表面滾動而不會沾附。另外,Zhang等人於銅網表面製備出具超親水特性之Cu(OH)2奈米針狀結構,開發出具超親水與水下超疏油特性之網狀材料。Jin等人以單壁奈米碳管與親水高分子製備出具超親水與水下超疏油特性之超薄薄膜,此薄膜的厚度僅有160奈米。

上述研究應用於油水分離系統都展現出極佳的分離效率,筆者的研究團隊以簡易的方式製備具有超親水與水下超疏油特性的海綿。水滴在超親水海綿表面會被吸收,而此海綿的水下油滴接觸角大於150度,當超親水海綿吸滿水後油滴無法滲透,因此可應用於油水分離,示意圖如圖二。此外,壓縮過後的超親水海棉孔洞變小可應用於油水乳化液分離。此壓縮過的超親水海綿可以重力過濾方式有效分離未添加乳化劑之油/水乳化液以及添加乳化劑之油/水乳化液。超親水海綿材料製備簡易且經濟,相當具有商業化應用的潛力。(感謝科技部補助「新媒體科普傳播:健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫III, MOST 104-2515-S-214-001」。)
 
責任編輯:王健任
審校: 楊智惠,黃耿祥
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