一種由蠟燭灰輔助的超疏水超親油油水分離網(wǎng)膜及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于有機(jī)-無機(jī)雜化納米功能材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種油水分離膜，特別是涉及一種由蠟燭灰輔助的超疏水超親油油水分離網(wǎng)膜及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)報道，每年大概會有32億立方噸的油進(jìn)入到水體中，形成含油污水，造成約38400000平方千米的油膜覆蓋，海洋生態(tài)系統(tǒng)遭到持續(xù)破壞，同時浪費(fèi)了寶貴的石油資源，也直接影響著人類健康和生態(tài)環(huán)境。目前針對含油廢水常用的處理方法包括圍欄阻隔和用常見的棉毛等天然材料進(jìn)行補(bǔ)救，這都會造成石油的二次污染和更多資源浪費(fèi)。即使化學(xué)分解劑和生物降解類處理手段也存在技術(shù)耗用高、效率低等問題，因而新型污水處理技術(shù)是亟需研究的問題。油水分離是通過網(wǎng)膜或吸油材料等分離材料將油水兩相分離的過程，如果將油水分離材料應(yīng)用在海洋油污處理上，將石油基液體充分與海水分離并回收，勢必起到事半功倍的效果；在工業(yè)生產(chǎn)方面，油水分離材料能夠發(fā)揮作用的空間也同樣不容小視，包括其有望應(yīng)用于石油庫油水分離井、高聚物聚合乳化廢液處理等一系列當(dāng)前社會難以解決的生產(chǎn)問題。
[0003]傳統(tǒng)的油水分離技術(shù)也存在著許多問題，包括分離速率慢、效率低、循環(huán)利用率低、成本高，使其應(yīng)用受到限制。而具有特殊浸潤性的油水分離網(wǎng)膜具有高分離效率、分離速率高、二次污染小、循環(huán)利用率高、可操作性好及耗用低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為現(xiàn)在油水分離技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在具有特殊浸潤性的油水分離材料中，材料的親疏性在油水分離過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過改變固體表面粗糙程度以及通過修飾特定的化學(xué)基團(tuán)改變其表面能，是制備超疏網(wǎng)膜的一般思路。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明提供了一種由蠟燭灰輔助的超疏水超親油油水分離網(wǎng)膜及其制備方法和應(yīng)用，將蠟燭灰直接沉積在電沉積粗糙化后的銅網(wǎng)表面，通過調(diào)節(jié)沉積時間得到超疏水超親油油水分離網(wǎng)膜。這種網(wǎng)膜在空氣中由于粗糙結(jié)構(gòu)截留的空氣和沉積得到的碳納米粒子的疏水性，表現(xiàn)出超疏水性和超親油性，能夠有效地分離油水混合物。當(dāng)油水混合物通過這種網(wǎng)膜時，在重力作用下油會迅速通過網(wǎng)膜而水則被截留在網(wǎng)膜上，從而達(dá)到油水分離的效果。
[0005]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
本發(fā)明提供了一種由蠟燭灰輔助的超疏水超親油油水分離網(wǎng)膜的制備方法，它包括以下步驟:
(1)對銅網(wǎng)進(jìn)行預(yù)處理:將銅網(wǎng)依次用丙酮、無水乙醇和去離子水進(jìn)行超聲清洗，取出，壓縮氮?dú)獯蹈桑?br>(2)配制電解質(zhì)溶液:配制由0.01-0.5mol/L的無水硫酸鈉和0.01-0.5mol/L的二水合氯化銅組成的電解質(zhì)溶液；
(3)利用兩電極體系進(jìn)行電沉積:以預(yù)處理后的銅網(wǎng)作陰極，鉑片電極作陽極，將預(yù)處理后的銅網(wǎng)置于所述電解質(zhì)溶液中，進(jìn)行電沉積在銅網(wǎng)上得到納米銅，
(4)將電沉積后的銅網(wǎng)取出，大量去離子水沖洗，壓縮氮?dú)獯蹈桑?br> (5)蠟燭灰沉積:將沖洗后的銅網(wǎng)置于燃燒的蠟燭火焰上方進(jìn)行蠟燭灰沉積，自然冷卻，得到表面具有碳納米粒子的超疏水超親油油水分離網(wǎng)膜。
[0006]對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):所述銅網(wǎng)為100-400目的黃銅銅網(wǎng)或紫銅銅網(wǎng)。
[0007]對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(I)預(yù)處理過程中用丙酮、無水乙醇和去離子水依次分別超聲清洗3-15分鐘。
[0008]對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(I)預(yù)處理中超聲清洗的頻率在20-60KHz，功率范圍為20-120 W0
[0009]對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(3)中電沉積是在0.1-1.0 V恒電壓條件下、20-50 °C溫度下沉積5-10分鐘，得到的納米銅粒徑在20-200 nm。
[0010]對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(5)中將電沉積后的銅網(wǎng)置于燃燒的蠟燭火焰上方1-4厘米處進(jìn)行蠟燭灰沉積1-10分鐘。
[0011]本發(fā)明還提供了所述制備方法制得的超疏水超親油油水分離網(wǎng)膜。
[0012]對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):所述油水分離網(wǎng)膜表面形成粒徑在20-50 nm的碳納米粒子，在空氣中對水的接觸角大于150°，對油的接觸角小于5°。
[0013]本發(fā)明還提供了所述的超疏水超親油油水分離網(wǎng)膜在分離油水混合物中的應(yīng)用。
[0014]對上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):所述油水分離網(wǎng)膜用于分離海洋油污和化工污水分咼。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:
1、制備過程簡單，易操作，成本低，所用組分容易獲得，設(shè)備要求極低。容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
[0016]2、最終產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定，在室內(nèi)環(huán)境即可長時間保存。
[0017]3、制備全過程涉及的組分和方法均無毒無害，非常環(huán)保。
[0018]4、本發(fā)明所述油水分離網(wǎng)膜超疏性能好，穩(wěn)定性高，能夠反復(fù)使用，而且能適應(yīng)不同酸堿環(huán)境和不同溫度條件，具有較高的耐溫度性，并對強(qiáng)酸堿溶液表現(xiàn)出優(yōu)異的接觸角穩(wěn)定性。
[0019]5、本發(fā)明所述油水分離網(wǎng)膜在油水分離過程中分離速率快，而且油相物質(zhì)容易進(jìn)行回收利用，能夠適用于分離多種油水混合物。
[0020]本發(fā)明與傳統(tǒng)的油水分離膜相比，更符合環(huán)保理念，具有更加突出的應(yīng)用價值。本發(fā)明材料可以應(yīng)用于阻隔海上石油污染，化工污水處理等，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0021]圖1中(a) - (c)是未經(jīng)修飾的銅網(wǎng)不同倍數(shù)下SEM圖像；(d) - Cf)是經(jīng)過電沉積納米銅粗糙化后不同放大倍數(shù)下SEM圖像；(g)_ (i)是經(jīng)過蠟燭灰修飾后不同放大倍數(shù)下SEM圖像；
圖2是銅網(wǎng)接觸角結(jié)果，其中(a)是未經(jīng)修飾銅網(wǎng)上水的接觸角；(b)是電沉積粗糙化后銅網(wǎng)上水的接觸角；(C)是蠟燭灰修飾銅網(wǎng)上水的接觸角；(d)是水滴在蠟燭灰修飾后的銅網(wǎng)的光學(xué)照片；(e)是蠟燭灰修飾銅網(wǎng)上正己烷的接觸角；(f)是蠟燭灰修飾銅網(wǎng)上硅油的接觸角；
圖3是蠟燭灰修飾后超疏水超親油網(wǎng)膜表面接觸角在不同pH和溫度下的穩(wěn)定性；
圖4是蠟燭灰修飾后超疏水超親油網(wǎng)膜的油(氯仿)水分離實驗過程，水用甲基橙染色；
圖5是蠟燭灰修飾后超疏水超親油網(wǎng)膜的油(硅油)水分離實驗過程，水用甲基橙染色；
圖6是實施例2中水和硅油在超疏水超親油網(wǎng)膜上的接觸角結(jié)果；
圖7是實施例2中的水和硅油的油水分離結(jié)果；
圖8是實施例3中水和液體石蠟在超疏水超親油網(wǎng)膜上的接觸角結(jié)果；
圖9是實施例3中水和液體石蠟的油水分離結(jié)果；
圖10是實施例4中水和石油醚在網(wǎng)上的接觸角結(jié)果；
圖11是實施例4中水和石油醚的油水分離結(jié)果。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0023]實施例1
本實施例所述由蠟燭灰輔助的超疏水超親油油水分離網(wǎng)膜的制備方法包括以下步驟:
1、將銅網(wǎng)分別經(jīng)丙酮、無水乙醇和水依次超聲清洗5分鐘，壓縮氮?dú)獯蹈桑?br> 2、稱取1.4204g無水硫酸鈉和1.7048g 二水合氯化銅，配制200ml的0.05mol/L電解質(zhì)溶液(無水硫酸鈉的摩爾濃度為0.05mol/L，二水合氯化銅的摩爾濃度為0.05mol/L)；
3、將經(jīng)過預(yù)處理的銅網(wǎng)置于上述配制的電解質(zhì)溶液中，以鉑片為陽極，預(yù)處理后的銅網(wǎng)作為陰極，在0.5V電壓下恒電壓電沉積6分鐘，溫度為25°C ;
4、將電沉積后的銅網(wǎng)用大量去離子水沖洗，壓縮氮?dú)獯蹈桑?br> 5、上步沉積后的銅網(wǎng)置于距離燃燒的蠟燭火焰2厘米高處進(jìn)行蠟燭灰沉積4分鐘，自然冷卻；蠟燭灰沉積后自然冷卻，表面形成碳納米粒子，碳納米粒子相互連接形成超疏水表面，在粗糙化后的銅網(wǎng)表面沉積后，碳納米粒子之間結(jié)合更強(qiáng)，超疏水性具有更高穩(wěn)定性，制備過程簡單。
[0024]圖1中(a) - (C)裸銅網(wǎng)試樣表面光滑；(d) - (f )經(jīng)過電沉積粗糙化后的銅網(wǎng)表面具有粗糙微米結(jié)構(gòu)。(g)_ (i)經(jīng)過蠟燭灰修飾后，沉積碳納米粒子在粗糙的通網(wǎng)上，形成微納粗糙結(jié)構(gòu)，碳納米粒子粒徑在20-50nm，粒子之間連接團(tuán)聚形成鏈狀結(jié)構(gòu)，由于這種粗糙的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)和碳納米粒子本身的疏水性，使得超疏水性質(zhì)形成成為可能。
[0025]圖2銅網(wǎng)接觸角結(jié)果，其中(a)是未經(jīng)修飾銅網(wǎng)上水的接觸角，94° ;(b)是電沉積納米銅粗糙化后銅網(wǎng)上水的接觸角，為55° ; (c)是蠟燭灰修飾后樣品上水的接觸角，達(dá)到153°，水滴在其表面上成球形，表現(xiàn)出超疏水性；(d)是水滴在蠟燭灰修飾后的樣品上的光學(xué)照片；(e)是蠟燭灰修飾銅網(wǎng)上正己烷的接觸角，0°，表現(xiàn)出超親油性；(f)是蠟燭灰修飾銅網(wǎng)上硅油的接觸角，3°，表現(xiàn)出超親油性。接觸角測試表明這種經(jīng)蠟燭灰修飾后的銅網(wǎng)表現(xiàn)出超疏水超親油性，為油水分離提供條件。
[0026]圖3是經(jīng)蠟燭灰修飾后的銅網(wǎng)的表面潤濕性的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性表征。不同pH值的水滴在其表面接觸角均在150°左右，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐酸堿化學(xué)穩(wěn)定性，由于超疏水表面“空氣墊”作用，使得酸堿腐蝕性離子很難破壞這種超疏水表面；將這種分離網(wǎng)膜經(jīng)過高溫處理，測試其熱穩(wěn)定性，在375°C下仍然保持著較好的疏水性，