基于离子液体聚合物智能材料的设计及其双向油水分离性能的研究

The study of intelligent bidirectional oil-water separation materials has aroused wide attention, however, the stimuli-responsive ways of the materials still have drawbacks, such as energy consumption and secondary pollution. In this project, a series of poly-(ionic liquids) (PIL) are synthesized, by use of ion species responsive property of the PIL, various kinds of intelligent oil-water separation materials are fabricated, including PIL modified stainless steel wire (relative large pore sizes, can be used for gravity-driven layered oil-water solution separation), polyethersulfone (relative small pore sizes, can be used for oil-water emulsion separation) and polyurethane sponge (large specific surface area, can be used as adsorbent). By green and energy-efficient ion exchange method, the hydrophilic and hydrophobic properties of the materials can be switched, and the controllable bidirectional oil-water separation performance can be obtained. This project provides fresh ideas to the fabricate of PIL-based intelligent materials and the PIL-based intelligent separation materials have great potential for oil-water separation field.

智能双向油水分离材料的研究已经非常广泛，然而调节材料性能的刺激方式仍存在着不足（例如能耗较高、二次污染等），有着很大的改进空间。本项目研究离子液体聚合物（PIL）在油水分离中的应用，设计制备多种离子种类敏感的双向油水分离材料，包括PIL改性的不锈钢网（孔径相对较大，用于分相油水混合物重力驱动快速分离）、聚醚砜微滤膜（孔径相对较小，用于油水乳液的压力驱动分离）以及聚氨酯海绵（比表面积较大，用于吸附）。系统研究利用节能环保的离子交方式换来切换材料的亲水/亲油性质，实现可控的油水双向分离，应对多种复杂油水混合体系。本项目研究推动了PIL在智能材料设计中的应用，制备的一系列智能分离材料在油水分离领域具有巨大应用潜力。

油水分离技术一直备受科研、环境、经济等领域的关注。随着人类社会的发展，工业化的不断推进，油类物质与水源的相互污染一直难以避免，进而造成环境污染、资源浪费等不良后果。因此，人们一直致力于设计新方法，特别是研发新材料，以实现更为有效的油水分离过程。其中，智能双向油水分离材料由于可切换的亲水/亲油表面性质，可实现同一材料对油水混合体系进行可控的双向分离，使其能够灵活地应用于更加复杂的油水混合分离体系，因此得到了广泛的研究。然而目前，调节此类材料分离性能的刺激方式仍存在着不足（例如能耗较高，造成二次污染等），还有这很大的改进空间。近年来的研究发现，离子液体聚合物（PIL）具备优异的离子种类敏感性能，可通过离子交换的方式改变自身的性质，包括亲/疏水性等，因此基于PIL设计刺激响应材料的研究受到了越来越多的关注。基于此，我们创新性地提出了利用PIL制备可控双向油水分离材料。相比于其它类型的材料，离子种类敏感的PIL改性的材料在分离性能切换时表现出简便、节能、环保等优点。在本项目中，我们设计合成了不同种类的具有离子种类敏感的PIL，以不锈钢网、聚醚砜微滤膜、聚氨酯海绵为基材，成功制备了具有离子种类敏感的智能油水分离材料。此类分离材料的表面润湿性可通过不同种类抗衡离子的交换在亲水与疏水之间切换。分离实验结果表明，此类材料可通过分离或吸附的方式，快速地分离分层的油水混合物以及油水乳液。本项目的完成具备一定科学意义：能够为新型油水分离材料的研究与设计提出新的设计思路；且此类材料的性能在油水分离领域也有着潜在的应用价值。