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博士生唐斯锴在油水分离材料方面研究工作取得新进展

时间:2020-08-09浏览:59

8月7日,本院常雪婷教授指导的2019级博士研究生唐斯锴的最新研究成果获工程技术类国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》(IF: 10.65)发表,题为 “Fabrication of calcium carbonate coated-stainless steel mesh for efficient oil-water separation via bacterially induced biomineralization technique”。

海上油污是危害海洋环境和生态系统的最严重的世界性海洋污染问题之一,而具有超疏水性(水接触角大于150°,滚动角小于10°)或超亲水性(水接触角小于5°)的超浸润油水分离材料为解决这一问题提供了一条简便有效且实用的途径。在众多油水分离材料中,金属网因具有易加工,高机械强度和高通量的显著优势而备受关注。研究人员已提出多种金属网表面修饰以获得超疏水或者超亲水表面的方法,如化学刻蚀、水热反应和化学气相沉积等,但往往受制于复杂的制备过程、高昂的成本和二次污染的存在,此外,常涉及相对危险的化学反应与制备过程。因此,用安全简单、完全环境友好和高效低能耗的方法制备金属网基超浸润材料,并将其应用在油水分离上的研究备受关注。

本研究首次创新性的利用枯草芽孢杆菌(B. subtilis,广泛存在于土壤及水体中)诱导碳酸钙生物矿化的技术成功实现了金属网浸润性的改变并将其应用于油水分离,具有很高的油通量和分离效率,并且方法简单低价、环境友好无污染。在制备过程中,研究人员用304不锈钢网(SSM)和枯草芽孢杆菌为主要材料,通过简单的将钢网浸泡于含有B. subtilis的培养液当中可得到微纳米碳酸钙均匀负载的CaCO3-SSM超亲水金属网,随后使用低表面能物质(硬脂酸,SA)对这层粗糙的碳酸钙矿物层进行疏水性修饰得到SA/CaCO3-SSM超疏水金属网。

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论文标题及摘要页

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改性钢网合成路线和枯草芽孢杆菌矿化过程示意图(图源自C.E.J.)

 

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改性钢网表现出优秀的油水分离性能(图源自C.E.J.)

 

超疏水表面的制备主要通过表面微纳米粗糙结构的构造和表面化学组成协同来实现,碳酸钙因其资源丰富、易于合成、多晶型、高稳定性、环境友好性、出色的生物相容性和本征亲水性的特点被广泛应用于油水分离材料的制备,但目前的制备方法皆是人为模仿生物矿化过程,这就致使其制备工艺相对繁琐,表面需要预处理以及需要额外的可能有害的有机添加剂以实现碳酸钙的合成与负载,其中很少有研究能通过简便有效的方法来实现碳酸钙在高机械强度高通量的金属网表面的负载。

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改性钢网表现出优秀的抗冰性能(图源自C.E.J.)

 

本研究创新性的采用B. subtilis来代替人为合成碳酸钙,相当于以培养液(细菌生长所需的营养物质)作为“薪资”雇佣细菌来完成在钢网表面自主合成微纳米碳酸钙的工作,此过程是完全非人为模拟的生物矿化过程,整个过程无有害污染物产生,工艺简单,通过硬脂酸的表面修饰制得的超疏水SA/CaCO3-SSM不仅具有良好的油水分离效果,而且表现出了理想的抗磨损、抗冰和抗污染效果,使其具备了在严酷环境下工作的能力。该研究创新的设计思路为油水分离超浸润材料的构造提供了一条新的途径。

 

相关信息:

S. Tang, X. Chang, M. Li, T. Ge, S. Niu, D. Wang, Y. Jiang, S. Sun, Fabrication of calcium carbonate coated-stainless steel mesh for efficient oil-water separation via bacterially induced biomineralization technique, Chemical Engineering Journal 405 (2021).

 

论文DOI: 10.1016/j.cej.2020.126597