CN105709459B - 一种鹅卵石状γ‑AlOOH涂覆的油水分离网膜材料及其制备方法 - Google Patents

一种鹅卵石状γ‑AlOOH涂覆的油水分离网膜材料及其制备方法 Download PDF

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    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids

Abstract

本发明公开了一种鹅卵石状γ‑AlOOH涂覆的油水分离网膜材料，该材料以不锈钢网为基体，在其上有γ‑AlOOH涂覆层，所述γ‑AlOOH涂覆层是由直径为0.5～0.8μm、厚度为100～150nm的鹅卵石状γ‑AlOOH构成，鹅卵石间距为50～100nm，且垂直排列于不锈钢网基体上。采用本发明方法制备的超疏水亲油油水分离网膜材料，疏水性能好、油水分离效率高，而且工艺简单、成本低。

Description

一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于功能材料领域，具体涉及一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料及其制备方法。
背景技术
含油污水的来源广泛，除了石油开采及加工排出大量含油废水外，还有固体燃料热加工、纺织工业中的洗毛废水、轻工业中的制革废水、食品加工以及机械工业中车削工艺中的乳化液等。随着人们环保意识的加强，油水分离技术也越来越受到人们的重视。现有的油水分离网膜存在加工过程复杂的缺点，如需要加工烘烤成膜，并且涂层较厚，容易使油液流动阻力增大，从而降低油水分离效率。而且还存在原料成本高导致油水分离膜造价贵的问题，同时大量有机原料的使用也带来严重的污染。因此，如何降低成本、提高分离效率以及绿色环保成为油水分离网膜技术发展的关键。
勃姆石是一种重要的无机化工产品，具有独特的化学物理性质，而且无毒环保、合成成本低，已成为制备氧化物涂层油水分离膜的热点材料。如Wang等(Zhijie Wang,YuTian,Haosen Fan etc.Facile seed-assisted hydrothermal fabrication ofγ-AlOOHnanoflake films with superhydrophobicity[J].New J.Chem,2014,38,1321-1327.)通过种子辅助水热法在玻璃基底上制备出γ-AlOOH纳米片超疏水膜，水的接触角为160°±3°；他们(Zhijie Wang,Jinghua Gong,Jinghong Ma and Jian Xu.In situ growth ofhierarchical boehmite on2024aluminum alloy surface as superhydrophobicmaterials[J].RSC Adv,2014,4,14708-14714.)也通过原位生长的方法在2024铝合金表面制备出花状结构的γ-AlOOH疏水膜，水的接触角为155°。然而，现有方法制备的γ-AlOOH超疏水膜的疏水性能相对不高，超疏水膜的形态不丰富，同时在油水分离方面的应用及油水分离效率的报道还很少。
发明内容
本发明主要是针对现有方法制备的γ-AlOOH超疏水膜的疏水性能不高的问题，提供一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料及其制备方法，通过本发明方法制备的超疏水亲油油水分离网膜，其γ-AlOOH涂层呈鹅卵石状，疏水性能好、油水分离效率高，而且工艺简单、成本低。
本发明的具体技术方案为：一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料，以不锈钢网为基体，在其上有γ-AlOOH涂覆层，所述γ-AlOOH涂覆层是由直径为0.5～0.8μm、厚度为100～150nm的鹅卵石状γ-AlOOH构成，鹅卵石间距为50～100nm，且垂直排列于不锈钢网基体上。
如上述鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将300～500目不锈钢网置于丙酮和无水乙醇的混合液中，经超声波清洗后干燥，将干燥后的金属网置于浓硫酸或浓硝酸和双氧水的混合溶液中浸泡，最后洗净干燥待用；
(2)在溶有铝盐的水溶液中，加入沉淀剂和蛋清溶液，搅拌至溶液透明后，将溶液转移至水热反应釜中，并将步骤(1)中待用的不锈钢网垂直悬挂于溶液中，进行水热反应；
(3)将反应后的不锈钢网置于低表面能的溶液中浸泡后，洗净、干燥，即得鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜。
本发明通过在不锈钢网表面构造粗糙的γ-AlOOH微观结构，并结合低表面能物质修饰的方法，制备得到超疏水亲油网膜材料。本发明中步骤(1)主要是清除不锈钢网表面的污渍、氧化膜等，同时在其表面生成大量-OH基团，并刻蚀出一定的粗糙形貌；步骤(2)主要是在不锈钢网表面构造鹅卵石状γ-AlOOH微观结构，蛋清溶液的加入有利于控制γ-AlOOH形貌；步骤(3)主要是对不锈钢网进行低表面能修饰，使其具有超疏水性能。本发明在不锈钢网表面构造的鹅卵石状结构有利于将大量空气困于材料表面的空隙中，使得液滴与材料表面的接触由传统的液、固两相接触变为液-固-气三相接触，减少了液滴和不锈钢网表面的接触面积，从而实现了超疏水性能。
作为优选，所述步骤(1)丙酮与无水乙醇的体积比为0.7～1.0:1。
作为优选，所述步骤(1)浓硫酸的质量分数为95～98％，浓硝酸的质量分数为65～69％，双氧水的质量分数为25～30％，浓硫酸或浓硝酸与双氧水的体积比为0.5～0.8:1。
作为优选，所述步骤(1)超声波清洗时间为10～15min，浸泡时间为1.5～2h。
作为优选，所述步骤(2)铝盐水溶液的浓度为0.022～0.027M，铝盐与沉淀剂的摩尔比为1:0.02～0.05，沉淀剂与蛋清的质量比为3～7:1。
作为优选，所述铝盐选自硝酸铝、氯化铝中的一种，沉淀剂选自草酸钠、碳酸氢钠中的至少一种，所述蛋清溶液为蛋清经烘干粉碎后配成的溶液。本发明中，沉淀剂使用前先用适量水溶解，再加入铝盐水溶液中。蛋清溶液的配制方法为：先按沉淀剂与蛋清的质量比称取蛋清烘干粉碎后所得的粉末，再用适量的水配制成溶液即可。
作为优选，所述步骤(2)水热反应温度为180～190℃，反应时间为15～20h。
作为优选，所述步骤(3)低表面能溶液的浓度为0.04～0.05M，其溶质选自硬脂酸、正十二硫醇、正十六硫醇中的至少一种，溶剂选自无水乙醇、丙酮中的一种。
作为优选，所述步骤(3)浸泡时间为1.5～2h。
本发明制备的油水分离网膜可适用于柴油、汽油、食用油、润滑油、煤油等一种或多种组分混合的油水混合物的分离，油水混合物的油水体积比可为0.5～1:1，分离效率在98％以上。使用时，量取一定体积的油水混合物，搅匀后，倒入油水分离装置中，即可实现油水分离。
本发明的有益效果是：本发明提供的鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，较以往方法原料易得，成本低廉，操作简单，处理方便，而且制备的油水分离网膜疏水性能好、油水分离效率高。
附图说明
图1为实施例1制备的不锈钢网膜涂层的X-ray衍射图；
图2为实施例2制备的不锈钢网膜表面10μL水滴接触角状态图；
图3为实施例3制备的不锈钢网涂层的FE-SEM图；
图4为本发明制备的不锈钢网膜分别对汽油、柴油、食用油、润滑油4种油水混合物的最低分离效率图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明所采用硝酸铝为Al(NO3)3·9H2O，氯化铝为AlCl3·6H2O(均为分析纯)，其他原料和设备若非特指，均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将300目不锈钢网剪成45×35mm的网片，置于体积比为0.7:1的丙酮和无水乙醇的混合液中，经超声波清洗15min后，用去离子水洗净，在恒温干燥箱中70℃干燥15min，将干燥后的不锈钢网置于体积比为0.5:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡2h，然后用去离子水洗净，在恒温干燥箱中70℃干燥15min后待用，其中浓硫酸质量分数为98％，双氧水质量分数为30％；
(2)将0.75g(2mmol)硝酸铝溶于75mL去离子水中搅拌30min，再分别将4mL浓度为0.02mol/L的碳酸氢钠(0.08mmol，0.0067g)溶液和1mL浓度为1g/L的蛋清(0.001g)溶液，加入硝酸铝溶液中，搅拌1h至溶液透明后，将透明溶液转移至100mL的水热反应釜中，并将步骤(1)中待用的不锈钢网垂直悬挂于透明溶液中，在180℃下水热反应18h。
(3)将反应后的不锈钢网用去离子水清洗3次，在70℃干燥15min后，置于硬脂酸与无水乙醇混合溶液中浸泡1.5h，其中硬脂酸与无水乙醇混合溶液中，硬脂酸0.497g(0.0017mol)，无水乙醇40mL(0.043mol/L)，然后将不锈钢网取出，用酒精清洗3次，在70℃干燥10min，即得鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜。
测试不锈钢网膜油水分离效率：
将制备的不锈钢网膜固定于分离装置中，量取90mL油水体积比为0.5：1的油水混合物，快速搅拌后，倒入分离装置中，可以看到油快速通过网膜，而水则在网膜上面慢慢蓄积，从而实现油水分离。实验中，选用柴油、汽油、煤油、润滑油为油相，通过测量分离前后油水混合物的质量，计算得到油水分离效率分别为99％、98.3％、98.5％、98.2％。
实施例2
一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将400目不锈钢网剪成45×35mm的网片，置于体积比为0.9:1的丙酮和无水乙醇的混合液中，经超声波清洗10min后，用去离子水洗净，在恒温干燥箱中70℃干燥15min，将干燥后的不锈钢网置于体积比为0.7:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡1.5h，然后用去离子水洗净，在恒温干燥箱中75℃干燥15min后待用，其中浓硫酸质量分数为95％，双氧水质量分数为25％；
(2)将0.483g(2mmol)氯化铝溶于76.4mL去离子水中搅拌30min，再分别将2mL浓度为0.02mol/L的草酸钠(0.04mmol，0.0054g)溶液和1.6mL浓度为1g/L的蛋清(0.0016g)溶液，加入氯化铝溶液中，搅拌1.5h至溶液透明后，将透明溶液转移至100mL的水热反应釜中，并将步骤(1)中待用的不锈钢网垂直悬挂于透明溶液中，在190℃下水热反应20h。
(3)将反应后的不锈钢网用去离子水清洗3次，在70℃干燥15min后，置于正十二硫醇与丙酮混合溶液中浸泡1.5h，其中正十二硫醇与丙酮混合溶液中，正十二硫醇1mL(0.845g，0.0042mol)，丙酮100mL(0.042mol/L)，然后将不锈钢网取出，用酒精清洗3次，在75℃干燥12min，即得鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜。
测试不锈钢网膜油水分离效率：
将制备的不锈钢网膜固定于分离装置中，量取90mL油水体积比为1:1的油水混合物，快速搅拌后，倒入分离装置中，可以看到油快速通过网膜，而水则在网膜上面慢慢蓄积，从而实现油水分离。实验中，选用柴油、汽油、食用油、润滑油为油相，通过测量分离前后油水混合物的质量，计算得到油水分离效率分别为99.3％、98.6％、98.5％、98.7％。
实施例3
一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将325目不锈钢网剪成45×35mm的网片，置于体积比为1:1的丙酮和无水乙醇的混合液中，经超声波清洗12min后，用去离子水洗净，在恒温干燥箱中70℃干燥15min，将干燥后的不锈钢网置于体积比为0.6:1的浓硝酸和双氧水的混合溶液中浸泡2h，然后用去离子水洗净，在恒温干燥箱中70℃干燥18min后待用，其中浓硝酸质量分数为69％，双氧水质量分数为30％；
(2)将0.7g(1.87mmol))硝酸铝溶于75.8mL去离子水中搅拌30min，再分别将3mL浓度为0.02mol/L的碳酸氢钠(0.06mmol，0.005g)溶液和1.2mL浓度为1g/L的蛋清(0.0012g)溶液，加入硝酸铝溶液中，搅拌1.2h至溶液透明后，将透明溶液转移至100mL的水热反应釜中，并将步骤(1)中待用的不锈钢网垂直悬挂于透明溶液中，在190℃下水热反应15h。
(3)将反应后的不锈钢网用去离子水清洗3次，在70℃干燥15min后，置于正十二硫醇、正十六硫醇与丙酮混合溶液中浸泡1.7h，其中正十二硫醇、正十六硫醇与丙酮混合溶液中，正十二硫醇1mL(0.845g，0.0042mol)，正十六硫醇1mL(0.84g，0.003mol)，丙酮150mL(0.048mol/L)，然后将不锈钢网取出，用酒精清洗3次，在80℃干燥8min，即得鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜。
测试不锈钢网膜油水分离效率：
将制备的不锈钢网膜固定于分离装置中，量取90mL油水体积比为0.6:1的油水混合物，快速搅拌后，倒入分离装置中，可以看到油快速通过网膜，而水则在网膜上面慢慢蓄积，从而实现油水分离。实验中，选用润滑油、食用油、煤油、汽油为油相，通过测量分离前后油水混合物的质量，计算得到油水分离效率分别为98.5％、98.4％、98.7％、98.6％。
实施例4
一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将500目不锈钢网剪成45×35mm的网片，置于体积比为0.8:1的丙酮和无水乙醇的混合液中，经超声波清洗14min后，用去离子水洗净，在恒温干燥箱中70℃干燥15min，将干燥后的不锈钢网置于体积比为0.8:1的浓硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡2h，然后用去离子水洗净，在恒温干燥箱中80℃干燥10min后待用，其中浓硫酸质量分数为98％，双氧水质量分数为28％；
(2)将0.45g氯化铝(1.86mmol)溶于76.6mL去离子水中搅拌40min，再分别将2mL草酸钠和碳酸氢钠(0.0254mol/L，0.005g)的混合溶液(0.15g碳酸氢钠(1.79mmol)和0.1g草酸钠(0.75mmol)溶于100ml去离子水中，置于磁力搅拌器上搅拌40min而得)和1.4mL浓度为1g/L的蛋清(0.0014g)溶液，加入氯化铝溶液中，搅拌1.5h至溶液透明后，将透明溶液转移至100mL的水热反应釜中，并将步骤(1)中待用的不锈钢网垂直悬挂于透明溶液中，在185℃下水热反应17h。
(3)将反应后的不锈钢网用去离子水清洗3次，在70℃干燥15min后，置于硬脂酸和丙酮混合溶液中浸泡1.5h，其中硬脂酸丙酮混合溶液中，硬脂酸0.57g(0.002mol)，丙酮40mL(0.05mol/L)，然后将不锈钢网取出，用酒精清洗3次，在80℃干燥10min，即得鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜。
测试不锈钢网膜油水分离效率：
将制备的不锈钢网膜固定于分离装置中，量取90mL油水体积比为0.8:1的油水混合物，快速搅拌后，倒入分离装置中，可以看到油快速通过网膜，而水则在网膜上面慢慢蓄积，从而实现油水分离。实验中，选用煤油、柴油、润滑油、食用油为油相，通过测量分离前后油水混合物的质量，计算得到油水分离效率分别为98.7％、99.4％、98.7％、98.5％。
图1为实施例1制备的不锈钢网膜涂层的X-ray衍射图，由图可知，所得产物XRD图谱的衍射峰对应的2θ值分别为14.88°，29.04°，38.96°，49.60°和65.36°，经过和标准卡片(JCPDS 21-1307)对比，分别对应于γ-AIOOH的(020)，(120)，(031)，(200)和(002)晶面，证明得到的产物为γ-AIOOH(勃姆石)。
图2为实施例2制备的不锈钢网膜表面10μL水滴接触角状态图，本发明制备的油水分离网膜水的接触角最高可达165°±2°，油的接触角为0°。
图3为实施例3制备的不锈钢网膜涂层的FE-SEM图，由图可知，不锈钢网膜上的涂层由鹅卵石状γ-AlOOH构成，其直径约为0.5～0.8μm，厚度约为100～150nm，鹅卵石间距约为50～100nm，且垂直排列于不锈钢网基体上。
图4为本发明制备的不锈钢网膜分别对汽油、柴油、食用油、润滑油4种油水混合物的最低分离效率图，由图可知，不锈钢网膜对汽油、柴油、食用油、润滑油4种油水混合物的最低分离效率分别为98.7％、99.5％、98.5％、98.3％。

Claims (8)

1.一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料，其特征在于，所述油水分离网膜材料是以不锈钢网为基体，在其上有γ-AlOOH涂覆层，所述γ-AlOOH涂覆层是由直径为0.5～0.8μm、厚度为100～150nm的鹅卵石状γ-AlOOH构成，鹅卵石间距为50～100nm，且垂直排列于不锈钢网基体上。
2.一种如权利要求1所述鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将300～500目不锈钢网置于丙酮和无水乙醇的混合液中，经超声波清洗后干燥，将干燥后的不锈钢网置于浓硫酸或浓硝酸和双氧水的混合溶液中浸泡，最后洗净干燥待用；
(2)在溶有铝盐的水溶液中，加入沉淀剂和蛋清溶液，搅拌至溶液透明后，将溶液转移至水热反应釜中，并将步骤(1)中待用的不锈钢网垂直悬挂于溶液中，进行水热反应；所述铝盐水溶液的浓度为0.022～0.027M，铝盐与沉淀剂的摩尔比为1:0.02～0.05，沉淀剂与蛋清的质量比为3～7:1；所述铝盐选自硝酸铝、氯化铝中的一种，沉淀剂选自草酸钠、碳酸氢钠中的至少一种，所述蛋清溶液为蛋清经烘干粉碎后所得粉末配成的溶液；
(3)将反应后的不锈钢网置于低表面能的溶液中浸泡后，洗净、干燥，即得鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜。
3.根据权利要求2所述的一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)丙酮与无水乙醇的体积比为0.7～1.0:1。
4.根据权利要求2所述的一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)浓硫酸的质量分数为95～98％，浓硝酸的质量分数为65～69％，双氧水的质量分数为25～30％，浓硫酸或浓硝酸与双氧水的体积比为0.5～0.8:1。
5.根据权利要求2所述的一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)超声波清洗时间为10～15min，浸泡时间为1.5～2h。
6.根据权利要求2所述的一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)水热反应温度为180～190℃，反应时间为15～20h。
7.根据权利要求2所述的一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)低表面能溶液的浓度为0.04～0.05M，其溶质选自硬脂酸、正十二硫醇、正十六硫醇中的至少一种，溶剂选自无水乙醇、丙酮中的一种。
8.根据权利要求2所述的一种鹅卵石状γ-AlOOH涂覆的油水分离网膜材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)浸泡时间为1.5～2h。
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空心椭圆状分级结构γ-AlOOH的无模板水热制备及吸附性能研究;李秀峡等;《重庆理工大学学报（自然科学）》;20151130;第29卷(第11期);第60-65页 *

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CN105709459A (zh) 2016-06-29

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