CN105582693B - 一种集成两种特殊浸润性材料的t型油水分离设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成两种特殊浸润性材料的T型油水分离设备，属于污水处理技术领域。所述的T型油水分离设备具有三通道结构，根据油水分离体系设置成侧T型或倒T型。所述的三通道结构中，竖直向上的通道作为油水混合体系入口通道，其余两个通道作为分离通道。在所述的两个分离通道内分别设置超疏水超亲油分离膜AW和超亲水和水下超疏油分离膜AO。与现有的单种膜进行油水分离方式相比，解决了液体密度差引起的液体阻碍层问题，实现了可持续的油水分离。同时，这种双通道的分离方式减小了分离膜承受的静液压，减小了对分离膜机械强度的要求；可实现不考虑油水密度差异的可持续的油水分离。

Description

一种集成两种特殊浸润性材料的T型油水分离设备
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及集成油水分离装置，具体地说，是指一种集成两种特殊浸润性材料的T型油水分离设备。
背景技术
目前，严重的漏油事件和来自工业及生活污水的排放严重影响了资源的利用和人类的健康。如何实现油/水混合物有效分离已经成为一个亟待解决的问题。多年来，研究人员研究了天然材料的结构和性能发现，表面结构和表面化学组成是影响固体表面的润湿性的主要因素(参考文献1：Bellanger,H.,et al.,Chemical and physical pathways forthe preparation of superoleophobic surfaces and related wetting theories.ChemRev,2014.114(5):p.2694-716)根据该理论，研究人员制备了各种具有特殊润湿性的材料，并且被广泛的用于油/水分离(参考文献2：Zhang,F.,et al.,Nanowire-haired inorganicmembranes with superhydrophilicity and underwater ultralow adhesivesuperoleophobicity for high-efficiency oil/water separation.Adv Mater,2013.25(30):p.4192-8)。
而当前的油水分离装置的设计一般是单种膜分离，依靠重力驱动实现油水的分离。但是对于油水混合液体分离的常规装置，由于油和水密度的差异，较高密度的液体容易形成阻挡层，阻碍分离膜与低密度液体的接触，阻碍了在分离膜上易浸润的低密度液体的透过，因此阻碍了混合液体的可持续分离。
发明内容
针对现有的分离装置存在的问题，本发明旨在设计一种特殊浸润性功能分离膜的集成装置对含油废水进行高效油水分离；本发明能够针对不同油水混合体系实现混合液体的高效、快速可调控的分离。
本发明提供一种集成两种特殊浸润性材料的T型油水分离设备，所述的T型油水分离设备具有三通道结构，根据油水分离体系设置成侧T型或倒T型。所述的三通道结构中，竖直向上的通道作为油水混合体系入口通道，其余两个通道作为分离通道。在所述的两个分离通道内分别设置分离膜AW和分离膜AO。所述的分离膜AW为超疏水超亲油分离膜，所述的分离膜AO为超亲水和水下超疏油分离膜。根据不同的油水分离体系，如果油的密度ρoil>水的密度ρwater，采用侧T型，分离膜AW位置低于分离膜AO的位置设置；如果ρoil<ρwater，分离膜AW的位置高于分离膜AO的位置设置。当不清楚ρoil>ρwater还是ρoil<ρwater时，采用倒T型，最上方的竖直通道作为混合液体入口通道，水平的两个通道作为分离通道，分别设置分离膜AW和分离膜AO，实现不考虑油水密度差异的可持续的油水分离。
本发明基于特殊浸润性功能材料的结合，将两种分离膜集成在同一个T型油水分离设备中，这不仅解决了现有的分离装置存在密度差引起的液层阻碍问题，而且还实现了连续的、高效的、高通量的油水分离过程。研究结果为油水分离设备的设计提供了新的策略，同时促进了在工业废水处理和石油泄漏清理领域的实际应用。
本发明提供的油水分离装置与现有分离装置相比，有益效果如下：
(1)与现有的单种膜进行油水分离方式相比，解决了液体密度差引起的液体阻碍层问题，实现了可持续的油水分离。同时，这种双通道的分离方式减小了分离膜承受的静液压，减小了对分离膜机械强度的要求。
(2)本发明提供的侧T型集成装置可以通过简单的调节分离膜的位置分离不同油水分离体系，实现了高通量、高效率的可持续油水分离，突破了现有的单种膜分离的局限性。
(3)本发明提供的倒T型集成装置可实现不考虑油水密度差异的可持续的油水分离。
附图说明
图1实施例1中所制备的分离膜AW的扫描电镜图；
图2实施例1中所制备的分离膜AO的扫描电镜图；
图3实施例1中侧T型集成装置分离油水混合液(ρoil<ρwater)示意图；
图4实施例1中侧T型集成装置分离油水混合液(ρoil>ρwater)示意图；
图5实施例2中油水分离倒T型集成装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种集成两种特殊浸润性材料的T型油水分离设备，所述的T型油水分离设备具有三通道结构，根据油水分离体系设置成侧T型或倒T型。所述的三通道结构中，竖直向上的通道作为油水混合体系入口通道，其余两个通道作为分离通道。在所述的两个分离通道内分别设置分离膜AW和分离膜AO。
所述的分离膜AW为超疏水超亲油分离膜，所述的分离膜AO为超亲水和水下超疏油分离膜，具体制备方法如下：
第一步，清洗金属网A：将金属网A依次在丙酮、乙醇、蒸馏水和HCl中超声清洗去除污物。
第二步，超疏水超亲油分离膜AW的制备：
将清洗过的金属网A浸在溶液B中氧化，制备粗糙结构，然后采用低表面能物质C修饰制备成超疏水超亲油分离膜AW。
第三步，超亲水和水下超疏油分离膜AO的制备：
将清洗过的金属网A浸在水凝胶D溶液中，使金属网A表面均匀地附着水凝胶D溶液，然后水平取出金属网A并用UV光照射。将涂覆水凝胶D后UV照射的金属网A用蒸馏水洗涤后得到水凝胶D涂覆的超亲水和水下超疏油分离膜AO。
所述的金属网A为铜网或不锈钢网等多孔金属网的一种。
所述的溶液B为氢氧化钠和过硫酸钾的混合溶液、氯化铜溶液或硝酸溶液中的任意一种。混合溶液中氢氧化钠的溶液浓度范围0.5mol/L-3mol/L，过硫酸钾的溶液浓度范围为0.1mol/L-2mol/L；氯化铜溶液浓度范围为0.1mol/L-2mol/L；硝酸溶液浓度范围3mol/L-5mol/L。
所述的低表面能物质C为全氟癸基三甲氧基硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷或十六烷基硫醇等低表面能物质中的一种。低表面能物质的修饰方法包括氟硅烷醇溶液中浸泡和气相沉积法修饰其中的一种。氟硅烷醇溶液的质量百分比浓度为0.1-5％，气相沉积法所选择的温度90-180℃，修饰时间2-10h。
所述的水凝胶D为聚丙烯酰胺或聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中的一种。
实施例1
将商用的铜网分别在丙酮、乙醇、蒸馏水和HCl中清洗除去表面上的污物和氧化物。
烘干后将洗净的铜网浸泡在0.5M的氢氧化钠和0.1M过硫酸钾的混合水溶液中30min氧化，然后用蒸馏水洗净烘干得到均匀覆盖纳米针结构的铜网表面(图1)。将氧化后的铜网在全氟癸基三乙氧基硅烷中180℃修饰2h，得到分离膜AW。
配置聚丙烯酰胺水凝胶溶液。将清洗过的铜网小心地浸在搅拌均匀的溶液中，以使溶液均匀的附着在铜网表面，然后水平的抽出铜网和并在紫外光下(365nm)照射。5min后，将铜网用蒸馏水冲洗，得到在聚丙烯酰胺水凝胶涂覆的铜网，即分离膜AO。从图2中可以看出水凝胶没有堵塞铜网的微孔并且均匀的涂覆在铜网的表面。
分别组装两种分离膜在同一个侧T型三通道结构中得到T型油水分离设备，如图3所示，所述的T型油水分离设备有三个通道，首先将两种分离膜分别固定在两个通道内，第三个通道作为油水混合体系入口。根据不同的油水密度差异,即油密度ρoil<水密度ρwater或油密度ρoil>水密度ρwater,调整不同的AW膜和AO膜的位置，具体如下所述:
(1)ρoil<ρwater：水和正己烷的油水混合体系从竖直方向的入口倾入所述T型油水分离设备内进行分离。两种分离膜的渗透液体分别用烧杯收集。如图3所示，由于正己烷的密度小于水的密度，所以在T型油水分离设备中，正己烷分离在水的上表面，设置分离膜AW(亲油疏水)的位置高于分离膜AO(亲水疏油)的位置，这样，在分离膜AW出口下方收集正己烷，在分离膜AO下方收集水。
(2)ρoil>ρwater：交换两个分离膜的位置，将水和四氯化碳的混合液体倒入T型油水分离设备中进行分离。两种分离膜的渗透液体分别用烧杯收集。如图4所示，由于四氯化碳的密度大于水的密度，所以在T型装置中，分离膜AW的位置低于分离膜AO的位置，在分离膜AW所在分离通道出口下方收集四氯化碳，在分离膜AO下方收集水。
实施例2.
将商用的不锈钢网分别在丙酮、乙醇、蒸馏水和HCl中清洗除去表面上的污物。
烘干后将洗净的不锈钢网浸泡在0.1M的氯化铜溶液中3min，和用蒸馏水超声10min烘干。然后在全氟癸基三甲氧基硅烷中90℃修饰10h，得到超疏水超亲油分离膜AW。
配置聚丙烯酰胺水凝胶溶液。将清洗过的不锈钢网小心地浸在搅拌均匀的溶液中，以使溶液均匀的附着在不锈钢网表面，然后水平的抽出不锈钢网和并在紫外光下(365nm)照射样品。5min后，将样品用蒸馏水冲洗，得到在聚丙烯酰胺水凝胶涂覆的不锈钢网，即得到超亲水和水下超疏油分离膜AO。
分别组装两种分离膜在同一个倒T型油水分离设备中。两个准备的分离膜固定在两个钢法兰之间：(图5)
(1)ρoil<ρwater：水和正己烷的混合液体倾入分离装置内进行分离。两种膜的渗透液体分别用烧杯收集。
(2)ρoil>ρwater：无需交换两个膜的位置，将水和四氯化碳的混合液体倒入分离装置中进行分离。两种膜的渗透液体分别用烧杯收集。
上述试验可知，不管油水之间的密度差异如何，都可以采用倒T型油水分离设备。
实施例3.
将商用的铜网分别在丙酮、乙醇、蒸馏水和HCl中清洗除去表面上的污物。烘干后将洗净的铜网浸泡在3M的氢氧化钠和2M过硫酸钾的混合水溶液中30分钟，和用蒸馏水洗净烘干。用蒸馏水超声10min烘干，得到纳米针结构均匀包覆表面的铜网。然后在全氟癸基三甲氧基硅烷中150℃修饰3h，得到分离膜AW。
配置聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯水凝胶溶液。将清洗过的铜网小心地浸在搅拌均匀的溶液中，以使溶液均匀的附着在铜网表面，然后水平的抽出铜网和并在紫外光下(365nm)照射样品120min。将样品用蒸馏水冲洗，得到在聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯水凝胶涂覆的铜网，即分离膜AO。
分别组装两种分离膜在同一个侧T型三通道装置中。两个准备的分离膜固定在两个钢法兰之间：
(1)ρoil<ρwater：水和正己烷的混合液体倾入分离装置内进行分离。两种分离膜的渗透液体分别用烧杯收集。
(2)ρoil>ρwater：交换两个分离膜的位置，将水和四氯化碳的混合液体倒入分离装置中进行分离。两种分离膜的渗透液体分别用烧杯收集。
实施例4.
将商用的铜网分别在丙酮、乙醇、蒸馏水和HCl中清洗除去表面上的污物。烘干后将洗净的铜网浸泡在3M的硝酸溶液中4min，和用蒸馏水超声10min烘干。然后在十六烷基硫醇的醇溶液中浸泡3h，得到分离膜AW。
配置聚丙烯酰胺水凝胶溶液。将清洗过的铜网小心地浸在搅拌均匀的溶液中，以使溶液均匀的附着在铜网表面，然后水平的抽出铜网和并在紫外光下(365nm)照射样品120min。将样品用蒸馏水冲洗，得到聚丙烯酰胺水凝胶涂覆的铜网，即分离膜AO。
分别组装两种分离膜在同一个倒T型三通道油水分离装置中。两个准备的分离膜固定在两个钢法兰之间：
(1)ρoil<ρwater：水和正己烷的混合液体倾入分离装置内进行分离。两种分离膜的渗透液体分别用烧杯收集。
(2)ρoil>ρwater：无需交换两个分离膜的位置，将水和四氯化碳的混合液体倒入分离装置中进行分离。两种分离膜的渗透液体分别用烧杯收集。
通过上述实施例可知，本发明提供的T型油水分离设备，当设置为倒T型时，可以用于分离油水混合体系。当明确知道油水混合体系中油和水的密度差的情况下，可以根据需要设置为侧T型，进而更高效的实现油水分离。采用本发明提供的T型油水分离设备，可以实现高达99％的油水分离效率。

Claims (1)

1.一种集成两种特殊浸润性材料的T型油水分离设备，其特征在于：所述的T型油水分离设备具有三通道结构，根据油水分离体系设置倒T型；所述的三通道结构中，竖直向上的通道作为油水混合体系入口通道，其余两个通道作为分离通道；在所述的两个分离通道内分别设置分离膜AW和分离膜AO；所述的分离膜AW为超疏水超亲油分离膜，所述的分离膜AO为超亲水和水下超疏油分离膜；
当不清楚ρoil>ρwater还是ρoil<ρwater时，采用倒T型，最上方的竖直通道作为混合液体入口通道，水平的两个通道作为分离通道，分别设置分离膜AW和分离膜AO，实现不考虑油水密度差异的可持续的油水分离；
所述的分离膜AW和分离膜AO的具体制备方法如下：
第一步，清洗金属网A：将金属网A依次在丙酮、乙醇、蒸馏水和HCl中超声清洗去除污物；
第二步，超疏水超亲油分离膜AW的制备：
将清洗过的金属网A浸在溶液B中氧化，制备粗糙结构，然后采用低表面能物质C修饰制备成超疏水超亲油分离膜AW；
第三步，超亲水和水下超疏油分离膜AO的制备：
将清洗过的金属网A浸在水凝胶D溶液中，使金属网A表面均匀地附着水凝胶D溶液，然后水平取出金属网A并用UV光照射；将涂覆水凝胶D后UV照射的金属网A用蒸馏水洗涤后得到水凝胶D涂覆的超亲水和水下超疏油分离膜AO；
所述的金属网A为铜网或不锈钢网多孔金属网的一种；所述的溶液B为氢氧化钠和过硫酸钾的混合溶液、氯化铜溶液或硝酸溶液中的任意一种；混合溶液中氢氧化钠的溶液浓度范围0.5mol/L-3mol/L，过硫酸钾的溶液浓度范围为0.1mol/L-2mol/L；氯化铜溶液浓度范围为0.1mol/L-2mol/L；硝酸溶液浓度范围3mol/L-5mol/L；所述的低表面能物质C为全氟癸基三甲氧基硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷或十六烷基硫醇低表面能物质中的一种；低表面能物质的修饰方法包括氟硅烷醇溶液中浸泡和气相沉积法修饰其中的一种；所述的水凝胶D为聚丙烯酰胺或聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中的一种。
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CN110302565A (zh) * 2019-07-05 2019-10-08 四川大学 用于液体蛋氨酸生产的液-液分离装置及方法

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