环境友好水处理多孔材料的构建及其应用
个人简介：
武荣兰，教授，博士生导师。近5年来承担国家自然科学基金3项，自治区项目4项，入选自治区第二批天山英才，发表SCI论文50余篇，授权发明专利2项。指导国家级大学生创新实验2项。荣获多项奖励：新疆大学首届教师教学创新大赛二等奖；第一届全国大学生化学实验创新设计竞赛一等奖指导教师；第十六届自治区自然科学优秀学术论三等奖；第十五届自治区自然科学优秀学术论文三等奖；第一届新疆大学优秀学术论文奖二等奖；新疆大学青年科研奖。
研究领域：
1、高分子材料回收与资源化利用
2、环境友好型吸附材料研究
3、精细高分子设计合成
2023年研究进展及成果
1、乙烯海绵的一步制备及其油包水乳液分离性能研究
任何添加剂的情况下，采用气相转化和回收PVC食品保鲜膜制备了具有超亲油和超疏水性能的PVC海绵。结果表明，这种海绵能有效地分离油和水。通过改变PVC浓度和溶剂配比，可以调节PVC海绵的孔径，从而提高PVC海绵的孔隙密度、比表面积、孔隙率、吸油能力和乳液分离性能。乳液分离实验表明，7 wt% PVC海绵(7-0-1)可有效分离油包水乳液，其分离效率高，分离通量为161.5 L⋅m-2⋅h-1⋅bar-1。此外，这种海绵表现出令人印象深刻的性能，如弹性恢复、柔韧性、自清洁和机械强度。值得注意的是，即使在回收后，海绵仍保持其疏水性和乳液分离性能。这种疏水海绵在大规模生产和石油泄漏事故等油水分离方面具有很大的潜力。
图1 (a) PVC海绵的承z重图像; (b) PVC海绵的压缩动态图像; (c, d) PVC海绵的弹性应力-应变图。
2、超强抗压强度的改性纤维素多孔材料的制备及其的吸油性能研究
采用溶胶-凝胶法和表面改性法制备了改性纤维素/N,N’-亚甲基双丙烯酰胺/单宁复合多孔材料(PCMT)。结果表明，PCMT呈三维互穿的多孔结构，且具有优异的油水分离性能和抗压强度(PCMT可承受自身重量的7000倍;当单宁用量为0.2 g时，PCMT在80%应变下可承受290.3 kPa的压力)。PCMT独特的孔隙结构导致其不同的油吸附能力(PCMT0、PCMT0.05、PCMT0.1和PCMT0.2分别对石油醚和二氯甲烷、正己烷和二氯甲烷、甲苯和二氯甲烷具有较高的吸附能力)。重要的是，PCMT在复杂环境下具有较好的适应性，多孔材料在剧烈搅拌、宽pH范围(1-14)、宽温度范围(4-160oC)、紫外线照射(8小时)和胶带剥离(10次)的条件下都保持了良好的疏水性和吸油能力。此外，多孔材料可以通过简单的机械挤压回收石油，因此在溢油处理中具有一定的经济意义和应用潜力。
图2 (a)水凝胶形成过程示意图; (b) PCMT的实验过程示意图
3、各向异性的棉秆纤维素海绵的构筑及其染料、乳液分离性能研究；
以棉秆废弃物为原料，利用棉秆的天然结构，直接通过化学法选择性地去除其中木质素和半纤维素，获得了具有各向异性的纤维素海绵，实现了一种保存天然孔结构的纤维素海绵的制备方法。结果表明，纤维素海绵保留了棉秆天然的孔结构，且具有优异的超亲水和水下超疏油性能，其水下油接触角均在150o以上。该海绵在重力下可以实现其对染料和乳液的分离去除，并对亚甲基蓝具有较好的选择性去除效果。同时，海绵对亚甲基蓝、刚果红、油包水乳液和水包油乳液的去除效率分别在99%，97%，99%和99%以上，展现了较好的染料和乳液去除效率。此外，纤维素海绵表现出较好的循环使用性。这为废弃棉秆的有效回收和资源化利用以及水的纯化应用奠定基础。
图3 (a) 二元混合染料的光学照片；(b) MB/CR、(c) MB/MO和(d) MB/RhB二元混合染料分离前后的紫外可见光谱
图4 (a) 纤维素海绵的染料循环-去除效率图； (b) 纤维素海绵的乳液去除效率图；(c)油包水乳液分离前后的光学显微镜图像；(d) 乳液分离前后的数码照片和粒径分布
4、具有阻燃性能的纤维素/PVC/TPP海绵的制备及其乳液分离性能研究
采用表面改性法制备了纤维素/PVC/TPP复合海绵，将其用于油水分离和乳液分离，并研究复合海绵的燃烧性能。结果表明，PVC和TPP的复合覆盖了纤维素海绵的大孔尺寸，使复合海绵的表面变得粗糙，且呈出现更小的网孔结构和颗粒状物质突起。同时，PVC的复合，提高了纤维素海绵的疏水角，使复合海绵成功转变成疏水材料，水滴在复合材料表面停留2 min，其接触角下降较小，具有较好的疏水稳定性。复纤维素/PVC/TPP复合海绵特殊的网络结构和其疏水性赋予其较好的油水分离和乳液分离性能。此外，TPP的加入，增加了材料的阻燃性能，使复合海绵具有一定的阻燃性能。实验发现，海绵在接触火苗并燃烧10s后移开，可以实现5s内自动熄灭，且其外观只是部分变黑，体积没有减少。这拓宽了海绵的应用范围，对其复杂环境的应用研究具有参考价值。
图5 (a)纤维素海绵和(b)纤维素/PVC/TPP海绵的疏水角
图6 (a)纤维素海绵和(b)纤维素/PVC/TPP海绵的燃烧测试
相关成果发表论文7篇（Chem. Eng. J. 2023 , 471:144752; Cellulose, 2023 ,30:7745–7762；J Taiwan Inst. Chem. E.,2023,145:104816.; Chemosphere,2023313,137439; Environ. Pollut., 2023, 318, 120859；化工新型材料,2023,51(6):225-230; 化工新型材料,2023 ,51(9):213-219）。
