CN101708384A - 一种油水分离金属网的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化学化工和功能材料技术领域，涉及一种具有特殊湿润性质的用于油水分离的金属网的制备方法。本发明采用简单的湿法化学刻蚀技术，在由微米级孔径的金属网表面制备出纳米尺度的微观突起，然后在其表面修饰不含氟且具有低表面能的化合物。在所制备材料的表面，水滴的接触角大于150°，而油的接触角接近0°。该材料因具有特殊湿润性，可以使油顺利通过金属网而水完全不透过，从而实现有效地分离油水混合物的性质。特别是这种材料表面的特殊湿润性在酸、碱、盐溶液中能够保持稳定，因而这种功能金属网在金属防腐蚀等方面也具有很好的应用。该网膜不含氟，制备方法简单，孔隙通透率高，油水分离效果好，并具有耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属于化学化工和功能材料技术领域，具体涉及一种制备具有特殊湿润性质的金属网，这种金属网可以用来分离油水混合物。
背景技术
油水分离是个世纪课题，长期以来，油中的水分和杂质严重影响了油的品质。因此寻找一种简便高效的方法把水分从油中除去成为了一个重要课题。
具有自清洁的纳米界面材料的出现为解决这个难题提供了新的途径。自清洁材料是指在其表面水的接触角大于150°，而水的滚动角小于5°。这意味着水在其表面不能稳定存在而是快速滑落。如果油滴在其表面的接触角小于5°，这种纳米界面材料可以有效的实现油水分离。
例如，申请号：01118387.X授权公开号：CN1387932的中国发明专利申请，公开了一种具有自清洁功能的纳米界面材料的制备方法以及其在油水分离方面的应用。其采用化学气相沉积与热固化的方法，将纳米低表面能粉末、分散剂在纳米光催化粘结剂和有机溶剂混合气氛中搅拌分解成乳液，然后经过喷涂、干燥定形的处理工艺，在金属纤维织物上制备出了用于油水分离纳米界面分离网。
同样，申请号：200510040447授权公开号：CN1721030A的中国发明专利申请，公开了一种具有油水分离功能的网。其采用在金属网上覆盖上全氟烷基硅氧烷基链，经过多步处理，制备出了能够用来进行把水从油中分离出来的金属网。
同样，中国专利CN101518695A以及文献：Feng，L.；Zhang，Z.；Mai，Z.；Ma，Y.；Liu，B.；Jiang，L.；Zhu，D.Angew.Chem.Int.Ed.2004，43，2012；Li，M.；Xu，J.；Lu，Q.J.Mater.Chem.2007，17，4772；Wang，S.；Song，Y.；Jiang，L.Nanotechnology，2007，18，015103；Zhang，J.；Huang，VV.；Han，Y.Macromol.Rapid.Commuon.2006，27，804报到了可以用来油水分离的网膜。
但是，上述技术存在如下缺陷：
1.制备过程繁琐、费时和消耗能源。不适宜大面积制备和工业生产。
2.使用含氟低表面能物质，成本提高和污染环境。
3.所制备的分离网稳定性较差。比如其不耐酸、不耐碱和不抗盐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种省时、便宜、简便的制备具有特殊湿润性质的油水分离金属网的方法。
本发明所述的油水分离金属网具有耐酸、耐碱和抗盐的性质，可以大面积制备和低成本生产。其是在由金属纤维编织成的具有微米级孔径的金属网上下表面，用酸性溶液刻蚀制备出纳米尺度的微观突起(图1)，其具有尺度在1nm～1000nm的连续或分立的颗粒状微观形貌结构(图1中的小图)。然后在其表面修饰不含氟且具有低表面能的物质，从而获得具有亲油疏水功能的材料，实现油水分离的目的。
实验结果表明，水在本发明所述的金属网表面的接触角大于150°(图2a)和滚动角小于5°(图2b)，即水在金属网表面不浸润而不能通过金属网；同时油(如柴油、汽油、煤油和动植物油等)在其表面的接触角接近于0°，即油能轻易穿过金属网(图2c)。当油水混合物滴在覆盖于容器的金属网表面时，水全部沿着表面滚落而油全部穿过，漏在下面的容器里，实现分离油和水的目的。该金属网还具有防腐蚀的性质，当把制备好的分离金属网浸在酸、碱、盐溶液30秒到9个小时(溶液pH值范围1～14，或者盐的浓度为0.001mol/L～10mol/L)，金属网表面对水的接触角依然大于150°(图4)和对油接触角接近于0°，这意味着金属网在腐蚀环境中具有很好的稳定性，仍保持优良的油水分离效果，可以扩大分离网的应用范围，同时也可在金属防腐蚀方面有所应用。
本发明所述的油水分离网的制备方法，其步骤如下：
(1)配制pH＝0.1～6.5(优选pH＝2.0～4.5)的酸性溶液，可以是盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、高氯酸、柠檬酸、甲基丙烯酸、丙烯酸、苯甲酸，或者是其中几种酸的混合物；
(2)将孔径为20～400目的金属网(可以是铁、铝及铝合金、铜及铜合金、镁、锌、钛、锂、锰、镍、锡、铂、铅、钢铁及其金属合金、钨、铟、钼和锗等稀有高熔点金属及其合金、以及金、银和钯等贵金属及其合金等)浸在上述酸性溶液中10秒～60分钟，进行酸刻蚀，然后取出用水洗净后吹干；
(3)配制浓度为0.1mol/L～10mol/L的低表面能物质的乙醇溶液，该低表面能的物质可以是含羧基、氨基、羟基、巯基、磺酸基、磷酸基等官能团的烷基化合物，化学结构通式为：Cn-X，其中X代表官能团、Cn代表烷基链，n取值范围为2～26，优选范围为10～20；更具体的低表面能的物质为十二烷基磺酸钠(C12H25-SO3Na)、十六烷基羧酸钠(C16H33-COONa)、十六烷基硫醇(C16H33-SH)、氯化十八烷基三甲基铵：(C18H37-N(CH3)3Cl)等；
(4)将上述酸刻蚀的金属网放入低表面能物质的乙醇溶液中1分钟～200分钟，取出后用乙醇洗净后吹干，即得到可用来进行分离油水混合物的金属网。
本发明所述的油水分离金属网，整个制备过程所需时间短，原料便宜易得，设备和制备工艺简单。无含氟物质，油水分离效果好，同时具有耐酸、耐碱和抗盐腐蚀的性能。
附图说明
图1：本发明实施例1制备的油水分离金属网的表面形貌照片(右上角附图为金属表面的纳米尺度微观突起)；
图2a：本发明实施例1所述的水滴在油水分离金属网表面的形状照片；
图2b：本发明实施例1所述的水滴在油水分离金属网表面滚动瞬间的形状照片；
图2c：本发明实施例1所述的柴油滴在油水分离金属网表面穿过的动态形状照片；
图3：本发明实施例1制备的油水分离金属网用于分离油与水的实验装置与实验效果照片；其中油水混合物1、油水分离金属网2、分离后的油3、分离后的水4；
图4：本发明实施例1制备的油水分离金属网经过酸(pH＝1)、碱(pH＝14)、NaCl盐溶液腐蚀后，水滴在其表面的形状照片.
具体实施方式
实施例1：
(1)在100mL烧杯中加入浓度为3mol/L的盐酸溶液50mL，将孔径为160目的金属铁网在此溶液中浸泡50秒，取出后用水洗净吹干。金属网表面出现纳米尺度的突起，如图1所示。
(2)在100mL烧杯中加入30mL乙醇和0.003mol十六烷基硫醇，混合均匀，配制成浓度为0.1mol/L的乙醇溶液。将上述用酸处理过的金属铁网在此溶液中浸泡50分钟，取出用乙醇洗净后吹干。即得到油水分离金属网，如图1所示。
(3)在该金属网表面，水的接触角为155°和滚动角小于5°，同时油在其表面的接触角接近于0°，如图2a、图2b和图2c所示。将该金属网覆盖在试管口，将柴油与水的混合物(体积比为1∶1)倒在金属网上，水不能穿过金属网而滚落在金属网外；同时柴油能轻易透过金属网而流入试管中，实现分离油水混合物的目的，如图3所示。
(4)将该金属网在强酸(pH＝1)、强碱(pH＝14)、NaCl盐水(浓度为0.5mol/L)中浸泡20分钟后取出，金属网表面对水的接触角大于150°，对油的接触角接近于0°，保持良好的油水分离性能，如图4所示。
实施例2：
(1)在100mL烧杯中加入浓度为4mol/L的硝酸溶液50mL，将孔径为100目的金属铜网在此溶液中浸泡4分钟，取出后用水洗净吹干。
(2)在100mL烧杯中加入50mL乙醇和0.01mol十二烷基磺酸钠，混合均匀，配制成浓度为0.2mol/L的乙醇溶液。将上述用酸处理过的金属铜网在此溶液中浸泡100分钟，取出用乙醇洗净后吹干。
(3)在该金属网表面，水的接触角为152°和滚动角小于5°，同时油在其表面的接触角接近于0°。该金属网可以分离油水混合物。
实施例3：
(1)在100mL烧杯中加入浓度为2.5mol/L的盐酸溶液50mL，将孔径为120目的金属锌网在此溶液中浸泡3分钟，取出后用水洗净吹干。
(2)在100mL烧杯中加入50mL乙醇和0.01mol十六烷基羧酸钠，混合均匀，配制成浓度为0.5mol/L的乙醇溶液。将上述用酸处理过的金属锌网在此溶液中浸泡120分钟，取出用乙醇洗净后吹干。
(3)在该金属网表面，水的接触角为150°和滚动角小于5°，同时油在其表面的接触角接近于0°。该金属网可以分离油水混合物。
Claims (7)
1.一种油水分离金属网的制备方法，其步骤如下：
(1)配制pH＝0.1～6.5的酸性溶液；
(2)将孔径为20～400目的金属网浸在上述酸性溶液中10秒～60分钟，进行酸刻蚀，然后取出用水洗净后吹干；
(3)配制浓度为0.1mol/L～10mol/L的低表面能物质的乙醇溶液；
(4)将上述酸刻蚀的金属网放入低表面能物质的乙醇溶液中1分钟～200分钟，取出后用乙醇洗净后吹干，即得到用来进行分离油水混合物的金属网。
2.如权利要求1所述的一种油水分离金属网的制备方法，其特征在于：酸性溶液是盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、高氯酸、柠檬酸、甲基丙烯酸、丙烯酸或苯甲酸，或者是其中几种酸的混合物。
3.如权利要求1或2所述的一种油水分离金属网的制备方法，其特征在于：酸溶液的pH＝2.0～4.5。
4.如权利要求1所述的一种油水分离金属网的制备方法，其特征在于：金属网的材料是铁、铝、铝合金、铜、铜合金、镁、锌、钛、锂、锰、镍、锡、铂、铅、钢铁、钢铁的金属合金、钨、钨合金、铟、铟合金、钼、钼合金、锗、锗合金、金、金合金、银、银合金、钯或钯合金。
5.如权利要求1所述的一种油水分离金属网的制备方法，其特征在于：低表面能物质为含羧基、氨基、羟基、巯基、磺酸基或磷酸基官能团的烷基化合物，化学结构通式为Cn-X，其中X代表上述官能团、Cn代表烷基链，n取值范围为2～26。
6.如权利要求5所述的一种油水分离金属网的制备方法，其特征在于：n的取值范围为10～20。
7.如权利要求6所述的一种油水分离金属网的制备方法，其特征在于：低表面能的物质为十二烷基磺酸钠C12H25-SO3Na、十六烷基羧酸钠C16H33-COONa、十六烷基硫醇C16H33-SH或氯化十八烷基三甲基铵C18H37-N(CH3)3Cl。
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