2025年水凝胶行业技术分析：水凝胶涂层技术发挥了关键作用

  随着工业的迅猛发展，含油废水排放成为严重的环境问题，对生态系统和人类健康造成巨大威胁。传统处理技术存在成本高、易产生二次污染等弊端，而膜分离技术虽有优势但面临膜污染等挑战。在这样的背景下，聚结过滤技术凭借其独特优势成为研究热点，尤其是水凝胶相关技术在该领域的应用，为含油废水处理带来了新的希望。

  一、水凝胶聚结材料的制备与基础实验设置

  1.1 材料选取

  实验选用聚醚砜(PES)微滤膜作为基材，其具有不同孔径规格。同时，准备了丙烯酰胺、N,N’- 亚甲基二丙烯酰胺、2,2'- 偶氮 (2 - 甲基丙烯酰胺) 二盐酸盐、三乙氧基乙烯基硅烷等化学试剂，分别作为单体、交联剂、引发剂和偶联剂。此外，还有无机盐、正己烷、聚 (乙烯醇) 甲醚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺溶液以及来自渤海某油田的重质原油样品等材料。

  1.2 制备流程

  水凝胶聚结材料的制备分为偶联剂接枝和聚合接枝两个主要步骤。在偶联剂接枝阶段，将三乙氧基乙烯基硅烷溶解于乙醇并加入醋酸，超声处理后，对 PES 基材进行去离子水超声、干燥和常压等离子体处理，再将其浸入偶联剂溶液静置过夜，最后冲洗干燥。聚合接枝时，先制备接枝液，将聚丙烯酰胺溶解，再混合丙烯酰胺等试剂并搅拌稀释，加入部分聚丙烯酰胺溶液和引发剂。然后将接枝液通过偶联剂接枝的基材真空过滤浸润，浸入接枝液处理后，在烘箱中加热聚合。

  1.3 实验测试方法

  为评估材料性能，进行了一系列实验测试。模拟含油污水通过加热原油和水并在剪切条件下混合制备。分离性能测试利用死端过滤装置，通过调节进水压力，收集滤液测定油浓度，计算油去除效率、通量，同时通过通量下降比和通量恢复比评价材料抗污染性能。此外，还运用多种仪器对材料进行表征，包括扫描电子显微镜观察表面形貌、X 射线光电子能谱分析表面元素组成等。

  二、水凝胶聚结材料的性能研究与分析

  2.1 材料表面与结构特性

  扫描电子显微镜图像显示，接枝形成的水凝胶涂层改变了 PES 基材表面形貌，原始基材光滑多孔，接枝后表面出现孔隙覆盖和亚微米级突起，且涂层为纳米尺度。ATR-FTIR 和 XPS 谱图进一步证实水凝胶涂层存在，接枝后出现 PAM 特征信号，相关 PES 信号减弱，表面碳氮元素含量增加。

  2.2 孔隙率与润湿性变化

  单体浓度对材料性能影响显著，其升高会提高接枝率，但降低膜的孔隙率，同时增强膜的水润湿性，降低水接触角。例如，PES 基材初始接触角为 53°，5s 后降至 42°，而 PAM/PES - 5 初始接触角为 33°，10s 后水滴完全铺展。

  2.3 分离性能探究

  在分离性能方面，合成条件对其影响不同。单体浓度升高能在保持高油去除效率的同时提高通量，但过高浓度易引发暴聚，后续实验选择 5% 的浓度;聚合温度和时间对膜的通量及油去除效率影响较小;充分浸泡基材有助于提升涂层质量，浸泡 40min 后材料基本饱和。

  基材孔径也会影响分离性能，随着孔径从 0.45μm 增加到 2μm，过滤通量从 246L/(m²・h) 上升至 343L/(m²・h) ，油去除效率仅从 99.5% 略微降至 99.3%。孔径较小时材料类似传统膜通过截留除油，孔径为 2μm 时展现聚结破乳性能。该材料耐油性良好，可承受含油浓度达 5000mg/L，且经水冲洗后抗油性能出色。激光共聚显微镜观察证实材料能促进油滴聚结，加速油水分离。不过，水中无机盐和聚合物会使分离过程复杂，聚合物堵塞孔隙降低通量，无机盐影响油滴直径和除油率。

  2.4 抗污染与环境耐受性能

  通过三轮过滤测试评估材料抗污染性能，结果表明水凝胶涂层显著提升了材料抗污染能力，PAM/PES 材料两轮过滤清洗后通量恢复率超 90%，而原始 PES 膜因油污染通量几乎丧失。在环境耐受性方面，水的 pH 值对材料通量和油去除效率影响较小，在常见 pH 范围内能稳定运行;甲苯对涂层影响小，材料在有机溶剂环境下稳定性高;长时间超声震荡后，材料通量和油去除效率依然稳定，机械稳定性优异。

  三、水凝胶聚结材料的优势与应用前景

  《2025-2030年全球及中国水凝胶行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，与其他处理含重质原油废水的研究相比，本研究开发的水凝胶聚结材料优势明显，能在约 1.5s 的短接触时间内高效除油，且采用有机基底材料，提升了对酸碱和盐的抗腐蚀性能。目前，聚结技术在原油水包油乳液处理领域应用受限，而本研究的水凝胶聚结器通过机械挤压破乳，涂层耐受性好，在开发无二次污染的紧凑型含油污水处理系统中极具应用前景。

  总结

  本研究成功将聚丙烯酰胺水凝胶接枝至聚醚砜微滤膜，制备出新型物理破乳聚结材料。通过调控基材孔径实现分离模式转变，水凝胶涂层发挥了关键作用。该材料在低压下通量达 280L/(m²・h) 以上，油去除率超 99%，抗污染和环境耐受性能良好。为稠油废水处理提供了无药剂、可持续的解决方案，为聚结技术在该领域的应用开拓了新思路，在石化、船舶等行业含油废水治理方面具有重要推广价值。未来，还需进一步优化大面积制备工艺，探究其在复杂实际废水体系中的长期运行稳定性，以推动该技术的广泛应用。

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