CN105002721B - 一种耐磨损超疏水棉布的制备及其在油水分离中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐磨损超疏水棉布的制备，是以商用棉布为基底，以硅酸乙酯为前驱体，氨水为催化剂，硅烷偶联剂为修饰剂，乙醇为介质，通过超声反应、洗涤、干燥而得制备。该超疏水布具有良好的超疏水性能即油水分离的选择性，耐摩擦耐盐水。将其缝制成布袋填充聚氨酯海绵或脱脂棉后与真空泵相连，对油水混合物中的油具有很高的连续吸附效率（分离效率可达99%以上），用于海中原油泄漏、含油工业废水处理等水体的修复，油能够很快被移除并收集，水仍然留在原来的地方，避免了传统方法油水一起收集分离后又再次排水的步骤；油水分离与转移两个步骤合二为一，减少了能源浪费，并且避免了水的积累对分离过程的影响。

Description

一种耐磨损超疏水棉布的制备及其在油水分离中的应用

技术领域

本发明涉及一种超疏水棉布的制备，尤其涉及一种用于石油泄漏、含油工业废水等水体的修复的耐磨损超疏水棉布的制备；本发明同时还涉及该耐磨损超疏水棉布在连续高效实现油水分离中的应用，属于特殊浸润性界面技术领域和油水分离技术领域。

技术背景

油水分离在石油化工等领域具有重要影响，利用表面特殊浸润性进行油水分离是当前材料科学研究的一个热点问题。一般油和水之间的表面张力相差很大，选择对水和油浸润性不同的材料可以选择性对其中一相浸润，对另一相排斥，从而达到选择性分离的结果。

近年来，对于用来油水分离的超疏水超亲油材料已经被广泛研究，将油水混合物通过这种材料，利用其本身的特性使得水被排斥在一端而油可以通过，从而实现油水分离。但是在实际应用中，目前仍存才很多急需解决的难题：由于大部分油密度比水轻，分离过程中积累的水会阻碍分离，降低了油水分离效率甚至无法进行分离；分离前需要收集油水混合物再进行分离，收集油后再排出废水，浪费能源并且难以连续进行。所以，研究可连续高效的油水分离技术在实际应用上具有非常重要的价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有油水分离技术中存在的问题，提供一种用于石油泄漏、含油工业废水等水体的修复的耐磨损超疏水棉布的制备；

本发明的另一目的是是提供一种利用该超疏水布实现连续油水分离的方法。

一、耐磨损超疏水棉布袋的制备

本发明耐磨损超疏水棉布的制备，是以商用棉布为基底，以硅酸乙酯为前驱体，氨水为催化剂，硅烷偶联剂为修饰剂，乙醇为介质，通过超声反应、洗涤、干燥而得。具体制备工艺为：将正硅酸乙酯、硅烷偶联剂及催化剂氨水添加到无水乙醇中，搅拌均匀后，将经碱处理的棉布浸入其中进行超声反应；反应结束后用无水乙醇清洗，干燥，得到超疏水棉布。

所述棉布的碱处理，是将商用棉布在浓度为2~4M 氢氧化钠水溶液中浸泡30~40min，然后用去离子水清洗至中性，干燥，备用。

所述硅烷偶联剂为十八烷基三甲氧基硅烷（OTMS）；正硅酸乙酯（TEOS）、十八烷基三甲氧基硅烷（OTMS）、氨水、无水乙醇的体积比约为1:1:1:40~1:1:1:20。

所述超声反应是在频率为40~60kHz，功率为500~600w的超声波条件下反应60~80min。

所述的干燥是在100~120℃下热处理1~2h。

二、超疏水棉布的结构及性能表征

下面通过红外光谱、扫描电镜分析、接触角和滚动角等对本发明制备的超疏水棉布进行化学成分、结构以及浸润性能、耐磨损性能进行表征。

1、红外光谱分析

图1为本二氧化硅及本发明制备的超疏水棉布表面的。从图1可以看出，对应于甲基（约2954 cm-1）和亚甲基（约2854 cm-1和2930 cm-1）的吸收峰有明显的变化。说明二氧化硅表面成功地接枝了十八烷基三甲氧基硅烷分子，并在棉布表面形成疏水二氧化硅颗粒。

2、扫描电镜分析

图2为本发明所制备超疏水棉布的扫描电镜图。（a）未经过反应的棉布纤维SEM图；（b）超疏水棉布低倍率的SEM图；（c）超疏水棉布高倍率的SEM图。从图（a）中可以看出，未反应棉布纤维表面光滑，无粗糙结构。从（b）中可以看出，反应后的棉纤维表面是不光滑的，有大量的二氧化硅颗粒紧密堆积在一起，并且大量分布在纤维表面。从（c）中可以看出，堆积在棉布表面的二氧化硅颗粒粒径在50~150nm之间。

3、接触角的光学照片

图3为本发明所制备超疏水棉布对油滴的接触角（a）以及对水滴（b）及对10%wt氯化钠液滴（c）的接触角的光学照片。由（a）可以知道，超疏水棉布表面对油滴的接触角小于5°；由（b）可以得到，超疏水棉布表面对水滴的接触角高达达158±1°，因而表现出极强的疏水性；由（c）可以得到，超疏水棉布表面对10%wt氯化钠液滴的接触角也高达154±1°，说明超疏水棉布具有很好的耐盐溶液性能。

4、机械性能测试

将制备的超疏水棉布平铺在800目砂纸上，再将100g的砝码固定在超疏水布上，拉动超疏水布在砂纸上来回滑动，每次距离约为20~30cm，反复进行600次，每隔100次测试其接触角比较变化，最后对其进行扫面电镜测试。

图4为摩擦测试中水滴对表面的接触角度数。通过测试发现经过摩擦后该表面对水滴的接触角有所减小，但是经过600次摩擦后接触角仍大于150°，没有丧失超疏水性能，并表现出了较强的耐摩擦性能。

图5为超疏水布摩擦测试600次后的扫描电镜图。（a）是低倍率的SEM图，（b）是高倍率的SEM图。从（a）中可以看出经过摩擦之后棉纤维有轻微破损；从（b）中可以看出二氧化硅颗粒有所减少，但残存的颗粒仍覆盖在纤维表面，构成疏水粗糙结构，说明超疏水棉布具有很好的耐磨损性能。

5、油水分离性能

将超疏水布裁剪缝制成一端开口的布袋，填充商用聚氨酯海绵或脱脂棉，连接真空泵并密封开口后，置于油水混合物中，真空泵提供负压进行油水分离，并测试油水分离性能。油水分离性能测试以填充聚氨酯海绵为例，以水和煤油的混合物为试验样品。为了便于观察，水用亚甲基蓝染色，油用油红O染色。

结果发现，短短几秒钟时间，水中的油完全被布袋吸附完全。通过对分离前后的混合物体积计算，分离前后体积差值即为分离出的油的体积，分离效率的计算可按照分离出的油的体积与分离前油的体积的比值来计算，经过测试，本发明的布袋对油水混合物的分离效率可达到99%以上。分离后水的体积也无明显减少，因而表现出很高的分离效率。

图6为聚氨酯海绵、超疏水布、超疏水布袋对不同油或有机溶剂（煤油、正己烷、正庚烷、三氯甲烷、四氯乙烷、甲苯、石油醚）的饱和吸附量。通过测试可以得到，布袋原本的吸附效率很低，填充高吸附效率的聚氨酯海绵后，整体的吸附效率得到了很大的提升。

6、超疏水布袋油水分的离连续性

通过负压移除超疏水布袋吸附的油或有机溶剂后继续用于油水分离，结果发现，超疏水布袋对于油水混合物中的油或有机溶剂仍然表现出很高的分离效率，分离后的水中无明显油污，而且水的体积也无减少，这种连续性油水分离的效率依然很高。因此超疏水布袋与真空泵相连后，形成可连续油水分离系统，能够高效、不间断的从水中分离并转移油或有机溶剂，高效、环保的进行含油废水的水体修复，可用于海中原油泄漏、含油工业废水处理等水体修复问题。

综上所述，本发明制备的超疏水棉布，具有良好的超疏水性能即油水分离的选择性，耐摩擦耐盐水。通过填充聚氨酯海绵或脱脂棉，通过与真空泵相连后对油水混合物中的油具有很高的连续吸附效率。分离过程中油很快被移除并收集，水仍然留在原来的地方，避免了传统方法油水一起收集分离后又再次排水的步骤；将油水分离与转移两个步骤合二为一，减少了能源浪费，并且避免了水的积累对分离过程的影响。

附图说明

图1为本发明制备的超疏水布的红外光谱图。

图2为本发明制备的超疏水布的扫描电镜图。

图3 为本发明制备的超疏水布分别对油、水、盐水的接触角光学照片。

图4为本发明制备的超疏水布不同摩擦次数下的接触角。

图5为本发明制备的超疏水布经过600次摩擦后的扫描电镜图。

图6 为本发明制备的超疏水布袋对油的饱和吸附率。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明超疏水表面棉布的制备及连续性油水分离性能作进一步的说明。

先将两块8cm×8cm棉布浸入氢氧化钠溶液中浸泡30~40min后，清洗晾干；将2mL硅酸乙酯、2mL氨水、2mL十八烷基三甲氧基硅烷加入到80mL无水乙醇混合搅拌均匀后，将经上述碱浸处理的棉布浸入其中，在频率40kHz，功率600w的超声波条件下反应60~80min；反应结束后，用无水乙醇清洗，在120℃下热处理2h，得到超疏水布。

利用缝纫机将超疏水布缝制成一端开口的布袋，填充3~4g聚氨酯海绵或2~3g脱脂棉，连接真空泵密封接口，得到用于连续油水分离的分离系统。

将50mL煤油和100mL 10%wt氯化钠溶液（煤油用油红O染色，溶液用亚甲基蓝染色）混合后，将填充聚氨酯海绵的布袋置于上述混合和溶液中进行油水分离。可明显看到混合物表面的煤油很快被吸附、转移，而盐水体积无明显变化。测量分离前后混合物体积，计算分离效率高达99.6%。

将50mL 三氯甲烷和100mL 10%wt氯化钠溶液（三氯甲烷用油红O染色，溶液用亚甲基蓝染色）混合后，将填充聚氨酯海绵的布袋置于上述混合和溶液中进行油水分离。可明显看到位于混合物底部的三氯甲烷很快被吸附并转移，盐水体积无明显变化。测量分离前后混合物体积，计算分离效率高达99.1%。

Claims (5)

1.一种耐磨损超疏水棉布的制备方法，是以商用棉布为基底，以硅酸乙酯为前驱体，氨水为催化剂，硅烷偶联剂为修饰剂，乙醇为介质，通过超声反应、洗涤、干燥而得；其具体工艺为：将正硅酸乙酯、硅烷偶联剂及催化剂氨水添加到无水乙醇中，搅拌均匀后，将经碱处理的棉布浸入其中进行超声反应；反应结束后用无水乙醇清洗，干燥，得到超疏水棉布；该耐磨损超疏水棉布对油滴的接触角小于5°，对水滴的接触角大于154°，对10%wt氯化钠溶液的接触角大于154±1°；

所述硅烷偶联剂为十八烷基三甲氧基硅烷；

所述正硅酸乙酯、十八烷基三甲氧基硅烷、氨水、无水乙醇的体积比为1:1:1:40~1:1:1:20；

所述超声反应是在频率为40~60kHz，功率为500~600w的超声波条件下反应60~80min。

2.如权利要求1所述一种耐磨损超疏水棉布的制备方法，其特征在于：所述棉布的碱处理，是将商用棉布在浓度为2~4M 氢氧化钠水溶液中浸泡30~40min，然后用去离子水清洗至中性，干燥。

3.如权利要求1所述一种耐磨损超疏水棉布的制备方法，其特征在于：所述的干燥是在100~120℃下热处理1~2h。

4.如权利要求1所述方法制备的耐磨损超疏水棉布在油水分离中的应用。

5.如权利要求4所述耐磨损超疏水棉布在油水分离中的应用，其特征在于：将超疏水布裁剪缝制成一端开口的布袋，填充商用聚氨酯海绵或脱脂棉，连接真空泵并密封开口后，置于油水混合物中，真空泵提供负压进行油水分离。