从接枝改性到破乳应用：碳纳米管在油水分离中的卓越表现

根据QYResearch的统计及预测，2024年全球碳纳米管市场销售额达到了6.52亿美元，预计2031年将达到48.74亿美元，年复合增长率（CAGR）为36.6%（2025-2031）。地区层面来看，中国市场在过去几年变化较快，2024年市场规模为百万美元，约占全球的 %，预计2031年将达到百万美元，届时全球占比将达到 %。

碳纳米管接枝改性的核心技术路径
相关报告数据指出，碳纳米管虽具备高比表面积、强机械强度等固有优势，但其表面惰性特征限制了界面活性发挥。接枝改性技术通过化学键合或物理包覆，可显著提升其表面反应活性。目前主流工艺包括胺化改性引入极性基团、疏水链修饰增强界面亲和性，通过二者协同可制备兼具乳化与破乳功能的复合纳米材料。

典型案例显示，采用胺化 - 疏水两步法合成的破乳剂 CN-18，通过在碳纳米管表面接枝十八烷基胺链与氨基官能团，形成 “亲水 - 疏水” 双亲结构。傅立叶变换红外光谱证实，改性后材料在 2920cm⁻¹ 处出现明显的烷基伸缩振动峰，元素分析显示氮元素含量提升至 3.2%，表明功能性基团成功接枝。这种结构设计使其既能快速迁移至油水界面，又可通过极性作用破坏乳液稳定性。

碳纳米管破乳剂的性能表征与影响因素
在 O/W 型乳液分离实验中，CN-18 展现出优异的破乳效能。数据显示：55℃条件下，500mgL 的 CN-18 在 180 分钟内破乳效率达 96.40%；当温度升至 65℃，相同浓度的破乳剂可在 120 分钟内实现 98.73% 的分离率，较传统工艺处理时间缩短 40%。更值得关注的是，该材料在 pH 2-8 的宽酸碱范围内保持 95% 以上的破乳效率，解决了传统破乳剂对水质酸碱度敏感的技术痛点。

浓度效应：临界值与界面行为的关联
实验表明，CN-18 的破乳效率存在浓度阈值：当浓度低于 300mg・L⁻¹ 时，因界面吸附量不足，无法有效置换沥青质分子膜，破乳率低于 50%；达到 400mg・L⁻¹ 时，破乳效率跃升至 90.60%；500mg・L⁻¹ 时实现饱和吸附，此时界面分子排列紧密，可彻底破坏乳液稳定性。这种浓度依赖性源于碳纳米管的自组装特性 —— 达到临界胶束浓度后，纳米管间的范德华力促使其形成网状结构，加速水滴聚结沉降。

温度影响：分子运动与黏度调控的协同
温度对破乳过程的影响体现在两方面：一是 65℃时乳液黏度降至室温的 1/3，降低水滴碰撞阻力；二是热能加速 CN-18 分子的布朗运动，使其界面迁移速率提升 2 倍。但超过 70℃后，碳纳米管表面修饰的烷基链易发生热解，导致破乳效率反而下降 8-10%，因此实际应用中需将温度控制在 45-65℃的最优区间。

破乳机理的界面行为分析
动态界面张力测试揭示了 CN-18 的作用机制：当水滴中溶解 100mg・L⁻¹ 的破乳剂时，油水界面张力从初始的 32mN・m⁻¹ 骤降至 4.11mN・m⁻¹，且下降过程呈现三阶段特征：0-30 秒的快速下降期（源于分子快速吸附）、30-120 秒的缓降期（空间位阻效应显现）、120 秒后的稳定期（吸附达到饱和）。这种强界面活性使其能高效取代沥青质分子，瓦解界面保护膜。

三相接触角测定进一步证实：经 CN-18 处理后，油水界面的接触角从 105° 降至 68°，表明材料通过调节界面润湿性促进相分离。显微观察显示，破乳过程中 CN-18 首先在油滴表面形成吸附层，通过疏水相互作用拉近油滴距离，随后氨基基团的极性作用促使水滴聚并，最终实现油相上浮与水相澄清的分层效果。

与商业破乳剂的性能对比及产业化优势
在同等实验条件下，CN-18 的破乳效率显著优于传统商业产品：较 DI-18（17.10%）提升近 5 倍，较高性能产品 RI14A（93.33%）仍高出 3.07 个百分点。更关键的是，传统破乳剂多以环氧乙烷 / 环氧丙烷共聚物为原料，生产过程需高温高压条件，能耗高且存在爆炸风险；而 CN-18 的合成采用室温溶剂法，反应条件温和，单位产品能耗降低 60%。

成本测算显示，采用碳纳米管破乳剂处理含油 wastewater 的综合成本约为 2.8 元 / 吨，较传统工艺（4.5 元 / 吨）降低 38%，主要得益于其用量少（仅为传统药剂的 1/3）、循环利用率高（可回收使用 5 次以上）。目前该技术已在胜利油田采出水处理站完成中试，日均处理量达 500 吨，出水含油量降至 5mg/L 以下，达到国家一级排放标准。

2025 年，碳纳米管接枝改性技术的突破为油水分离领域提供了新型高效材料。CN-18 破乳剂展现的高效率、宽适应性、低成本等优势，使其在石油开采、钢铁冶炼等含油 wastewater 处理场景中具备广阔应用前景。随着规模化生产工艺的成熟，预计到 2030 年，碳纳米管基破乳材料的市场渗透率将突破 20%，推动环保行业向 “低耗高效” 方向升级。