CN105854351A - 用于油水分离的超疏水多孔膜及其制备方法和用途 - Google Patents

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张冬梅
李衎
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Abstract

本发明属于功能材料技术领域，特别涉及用于苛刻环境下的油水分离的超疏水多孔膜及其制备方法和用途。本发明是首先用砂纸在清洁干净的低密度聚乙烯薄片表面进行打磨，得到超疏水的低密度聚乙烯薄片；然后将该聚乙烯薄片进行固定，再使用不锈钢针在该聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，即可得到用于浓酸、浓碱、高盐环境下的油水分离的超疏水多孔膜。所述的超疏水表面对水的接触角在150°以上、对油的接触角在10°以下，多孔阵列结构中孔径大小及间距均为百微米尺度。本发明的多孔膜可用于含有浓酸、浓碱、高盐环境下的油水分离。本发明的多孔膜的材料稳定性好，易清洗，可重复利用，不含有毒有害物质，对环境友好。

Description

用于油水分离的超疏水多孔膜及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离的超疏水多孔膜的制备方法和用途。
背景技术
化学工业，尤其是石油化学工业中会使用大量的浓酸、浓碱以及高盐溶液。这些溶液的使用一方面极大的促进了化学工业的发展，另一方面却极易造成设备的腐蚀、产品的纯化困难以及环境污染等问题。因此实现含浓酸、浓碱、高盐的油水混合物的快速、高效分离具有非常广阔的工业前景。
中国发明专利申请CN1387932A、CN103893999A和CN103657156A中分别制备了具有疏水/亲油功能以及亲水/疏油功能的油水分离网，虽然这些技术方案都具有一定的油水分离效果，但也存在明显的不足，如工艺复杂、操作困难，但是最重要的缺点是这些油水分离网都无法在苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)使用。同样，文献Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 2012；Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 856；ACS Apply. Mater. Interf. 2009, 1, 2613；Adv. Mater. 2013, 25, 2071报道的油水分离的材料也同样存在上述类似的问题。美国专利申请US2015203371A1披露了低密度聚乙烯（LDPE）包覆的不锈钢复合网具有油水分离的功能，但该方法受限于这种复合网的差的机械性能即包覆的LDPE容易在不锈钢网表面脱落，因此发展一种能够稳定的用于苛刻条件下（浓酸、浓碱、高盐）的方法仍然迫在眉睫。
发明内容
本发明的一目的在于提供用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离的超疏水多孔膜。
本发明的再一目的在于提供用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离的超疏水多孔膜的制备方法。
本发明的另一目的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离的超疏水多孔膜的用途。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种用于液体分离的多孔膜，其中所述的多孔膜是在薄片上构筑的多孔阵列结构，所述薄片具有至少一个超疏水表面。
优选地，所述的多孔膜对水滴的接触角在150°以上，对油滴的接触角在10°以下。
优选地，所述的多孔阵列结构中相邻孔的间距为200~500微米。
优选地，所述的多孔阵列机构中的孔的直径为100~200微米。
优选地，所述的薄片的厚度为0.3~0.9毫米。
优选地，所述的薄片为低密度聚乙烯薄片。
一种根据以上技术方案中任意一项所述的用于液体分离的多孔膜的制备方法，包括以下步骤：
提供低密度聚乙烯薄片；
将所述低密度聚乙烯薄片清洁干净；
用砂纸在所述低密度聚乙烯薄片表面进行打磨，得到超疏水的低密度聚乙烯薄片；
将该低密度聚乙烯薄片固定，
使用不锈钢针在该低密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，得到用于液体分离的多孔膜。
根据以上技术方案任意一项所述的多孔膜在液体分离中的用途，其中所述的液体包括油相和水相，所述的油相能够通过所述的多孔膜，所述的水相不能通过所述多孔膜。
优选地，所述的水相包括选自无机酸、无机碱及无机盐中的一种或多种，所述的油相包括选自正己烷、汽油、石油醚、氯仿和植物油中的一种或多种。
优选地，所述的无机酸是98.0%的浓硫酸，所述的无机碱为饱和的氢氧化钠溶液、所述的无机盐为饱和的氯化钠溶液。
本发明的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜的原料易得，制备成本廉价，设备和制作工艺简单，可用于大规模制备。本发明的超疏水多孔膜在进行苛刻环境下的油水分离时，具有非常好的油水分离效果、分离速率快、效率高，并且低能耗、无需其他化学助剂、可重复使用。本发明特别适用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离，对各种浓酸、浓碱、高盐溶液与正己烷、汽油、石油醚、氯仿和植物油等的油水混合物具有非常好的分离效果。本发明的超疏水多孔膜的材料不含有毒有害物质，对环境友好，易清洗，可重复利用，稳定性好。
附图说明
图1a.本发明实施例1制备的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜的接触角图片。
图1b.本发明实施例1制备的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜的扫描电镜照片。
图2.本发明中的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离的装置示意图。
图3.本发明实施例1中用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离的实际过程照片。
图4.本发明实施例2中用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离的实际过程照片。
图5.本发明实施例2中用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离的实际过程照片。
具体实施方式
本发明基于超疏水材料的超疏水/超亲油原理以及低密聚乙烯材料耐浓酸、浓碱、高盐及各种溶剂的特点，采用砂纸打磨、塑性模版打孔的方法，得到具有快速、高效油水分离效果的超疏水多孔膜，即本发明的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)的油水分离的超疏水多孔膜。
本发明的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜，是在超疏水的低密度聚乙烯膜上构筑多孔的阵列结构。
所述的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜对水滴的接触角在150°以上，对油滴的接触角在10°以下(如图1a所示)。
所述的多孔阵列结构中相邻孔的间距和孔的大小均为百微米尺度。所述的多孔阵列结构中相邻孔的间距为200~500微米，孔的直径为100~200微米 (如图1b所示)。优选的相邻孔的间距为300微米，孔的直径为150微米。
所述的超疏水的低密度聚乙烯膜的厚度为0.3~0.9毫米，优选为0.5毫米。
所述的浓酸是无机酸、浓碱是无机碱、高盐是无机盐。所述的无机酸选自硫酸(18.4 g/ml的浓硫酸)、硝酸、盐酸等中的一种或几种，无机碱选自氢氧化钠(饱和溶液)、氢氧化钾、氢氧化锂等中的一种或几种，无机盐选自氯化钠(饱和溶液)、氯化钾、氯化锂等中的一种或几种。
本发明的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜中的低密聚乙烯材料本身具有非常优异的化学惰性，通常被用作各种试剂瓶的内塞(浓酸、浓碱、高盐以及有机溶剂)；而且这种材料本身具有疏水亲油性质，表面粗糙化以后、该种性质会得到增强，因此由这种材料制备的多孔膜可以很好的应用与油水分离。百微米尺度的孔径可以使油相轻易地通过多孔膜中的孔，而水相则无法进入或通过多孔膜中的孔，以便达到油水分离的效果。
本发明的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜的制备方法为：
首先用砂纸在清洁干净的低密度聚乙烯薄片表面进行打磨，得到超疏水的低密度聚乙烯薄片；然后将该聚乙烯薄片进行固定，再使用不锈钢针在该聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，即可得到用于浓酸、浓碱、高盐环境下的油水分离的超疏水多孔膜。
所述的砂纸为100 #-500 #，优选为200 #。
所述的在该低密聚乙烯膜上进行阵列化的打孔，是将不锈钢针和低密度聚乙烯薄片置于有x-y-z三维控制系统的仪器中(例如：点胶机)，利用该仪器使所述的不锈钢针在低密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔。
所述的不锈钢针也可用市售的缝衣针或针灸针等。
所述的多孔阵列结构中相邻孔的间距和孔的大小均为百微米尺度。所述的多孔阵列结构中相邻孔的间距为200~500微米，孔的直径为100~200微米 (如图1b所示)。优选的相邻孔的间距为300微米，孔的直径为150微米。
所述的低密度聚乙烯薄片的厚度为0.3~0.9毫米，优选为0.5毫米。
本发明的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜可用于含有浓酸、浓碱、高盐的油水分离。
所述的含有浓酸、浓碱、高盐的油水混合物中的水相可为各种浓度的无机酸、无机碱、无机盐，油相为正己烷、汽油、石油醚、氯仿和植物油中的一种或几种。
所述的无机酸选自硫酸(18.4 g/ml的浓硫酸)、硝酸、盐酸等中的一种或几种，无机碱选自氢氧化钠(饱和溶液)、氢氧化钾、氢氧化锂等中的一种或几种，无机盐选自氯化钠(饱和溶液)、氯化钾、氯化锂等中的一种或几种。
在使用本发明的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜进行油水分离时，将本发明的超疏水多孔膜用聚四氟乙烯法兰进行固定(如图2所示)，超疏水的表面朝向油水混合物一方。法兰的两端用玻璃管进行连接，其中进液管为弯管、弯口竖直向上，出液管为直管。将油水混合物置于烧杯中，用磁子搅拌(转速为1000 rpm)一分钟后，将油水混合物倒入分离装置中，油相会通过超疏水多孔膜、经过出液管后被收集，而水相不能通过超疏水多孔膜，而滞留在进液管中被收集(如图3)。该超疏水的多孔膜实现含浓酸、浓碱、高盐的油水混合物的有效分离，并且具有稳定的油水分离效果、可重复多次使用。
实施例1。
用200 #的砂纸在0.5毫米厚、清洁、干净的低密度聚乙烯薄片表面进行打磨处理，打磨后的聚乙烯薄片置于乙醇溶液中超声清洗，即可得到超疏水的低密度聚乙烯薄片；将该聚乙烯薄片与不锈钢针一起，置于点胶机（Nordson EFD-PicoDot, USA）的x-y-z控制系统中，利用点胶机使所述的不锈钢针在超疏水的低密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，在聚乙烯薄片上构筑多孔阵列结构，且多孔阵列结构中相邻孔的间距为300微米，孔的直径为150微米；然后将得到的多孔膜取下，即得到对水滴的接触角在150°以上，对油滴的接触角在10°以下的用于苛刻环境下（浓酸、浓碱、高盐）油水分离的超疏水多孔膜。
利用图2所示的油水分离装置进行油水分离，将本发明的超疏水多孔膜用聚四氟乙烯法兰进行固定，超疏水的表面朝向进液的一端，法兰的两端用玻璃管进行连接，其中进液管为弯管、弯口竖直向上，出液管为直管。将正己烷与浓硫酸(18.4 mol/L)混合物置于烧杯中，其中正己烷用油红染成红色、浓硫酸用甲基蓝染成黄绿色，用磁子搅拌(转速为1000 rpm)一分钟后，将正己烷与浓硫酸的混合物倒入分离装置中，正己烷通过超疏水多孔膜、经出液管流出后被收集，而浓硫酸不能通过超疏水多孔膜，而滞留在进液管中被收集，从而实现油水分离的目的(如图3所示)。
实施例2。
用200 #的砂纸在0.5毫米厚、清洁、干净的低密度聚乙烯薄片表面进行打磨处理，打磨后的聚乙烯薄片置于乙醇溶液中超声清洗，即可得到超疏水的低密度聚乙烯薄片；将该聚乙烯薄片与不锈钢针一起，置于点胶机(Nordson EFD-PicoDot, USA)的x-y-z控制系统中，利用点胶机使所述的不锈钢针在超疏水的低密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，在聚乙烯薄片上构筑多孔阵列结构，且多孔阵列结构中相邻孔的间距为300微米，孔的直径为150微米；然后将得到的多孔膜取下，即得到对水滴的接触角在150°以上，对油滴的接触角在10°以下的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜。
利用图2所示的油水分离装置进行油水分离，将本发明的超疏水多孔膜用聚四氟乙烯法兰进行固定，超疏水的表面朝向进液的一端，法兰的两端用玻璃管进行连接，其中进液管为弯管、弯口竖直向上，出液管为直管。将正己烷与饱和氢氧化钠溶液混合物置于烧杯中，其中正己烷用油红染成红色、氢氧化钠饱和溶液用甲基蓝染成黄绿色，用磁子搅拌(转速为1000 rpm)一分钟后，将正己烷与浓硫酸的混合物倒入分离装置中，正己烷通过超疏水多孔膜、经出液管流出后被收集，而氢氧化钠饱和溶液不能通过超疏水多孔膜，而滞留在进液管中被收集，从而实现油水分离的目的(如图4所示)。
实施例3。
用200 #的砂纸在0.5毫米厚、清洁、干净的低密度聚乙烯薄片表面进行打磨处理，打磨后的聚乙烯薄片置于乙醇溶液中超声清洗，即可得到超疏水的低密度聚乙烯薄片；将该聚乙烯薄片与不锈钢针一起，置于点胶机(Nordson EFD-PicoDot, USA)的x-y-z控制系统中，利用点胶机使所述的不锈钢针在超疏水的低密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，在聚乙烯薄片上构筑多孔阵列结构，且多孔阵列结构中相邻孔的间距为300微米，孔的直径为150微米；然后将得到的多孔膜取下，即得到对水滴的接触角在150°以上，对油滴的接触角在10°以下的用于苛刻环境下(浓酸、浓碱、高盐)油水分离的超疏水多孔膜。
利用图2所示的油水分离装置进行油水分离，将本发明的超疏水多孔膜用聚四氟乙烯法兰进行固定，超疏水的表面朝向进液的一端，法兰的两端用玻璃管进行连接，其中进液管为弯管、弯口竖直向上，出液管为直管。将正己烷与饱和氯化钠溶液混合物置于烧杯中，其中正己烷用油红染成红色、饱和氯化钠溶液用甲基蓝染成黄绿色，用磁子搅拌(转速为1000 rpm)一分钟后，将正己烷与饱和氯化钠溶液的混合物倒入分离装置中，正己烷通过超疏水多孔膜、经出液管流出后被收集，而饱和氯化钠溶液不能通过超疏水多孔膜，而滞留在进液管中被收集，从而实现油水分离的目的(如图5所示)。

Claims (10)

1.一种用于液体分离的多孔膜，其特征是：所述的多孔膜是在薄片上构筑的多孔阵列结构，所述薄片具有至少一个超疏水表面。
2.根据权利要求1所述的用于液体分离的多孔膜，其特征是：所述的多孔膜对水滴的接触角在150°以上，对油滴的接触角在10°以下。
3.根据权利要求1所述的用于液体分离的多孔膜，其特征是：所述的多孔阵列结构中相邻孔的间距为200~500微米。
4.根据权利要求1所述的用于液体分离的多孔膜，其特征是：所述的多孔阵列机构中的孔的直径为100~200微米。
5.根据权利要求1所述的用于液体分离的多孔膜，其特征是：所述的薄片的厚度为0.3~0.9毫米。
6.根据权利要求1所述的用于液体分离的多孔膜，其特征是：所述的薄片为低密度聚乙烯薄片。
7.一种权利要求1~6任意一项所述的用于液体分离的多孔膜的制备方法，包括以下步骤：
提供低密度聚乙烯薄片；
将所述低密度聚乙烯薄片清洁干净；
用砂纸在所述低密度聚乙烯薄片表面进行打磨，得到超疏水的低密度聚乙烯薄片；
将该低密度聚乙烯薄片固定，
使用不锈钢针在该低密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，得到用于液体分离的多孔膜。
8.根据权利要求1~6任意一项所述的多孔膜在液体分离中的用途，其特征是：所述的液体包括油相和水相，所述的油相能够通过所述的多孔膜，所述的水相不能通过所述多孔膜。
9.根据权利要求8所述的用途，其特征是：所述的水相包括选自无机酸溶液、无机碱溶液及无机盐溶液中的一种或多种，所述的油相包括选自正己烷、汽油、石油醚、氯仿和植物油中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征是：所述的无机酸溶液是98.0%的浓硫酸，所述的无机碱溶液为饱和的氢氧化钠溶液、所述的无机盐溶液为饱和的氯化钠溶液。
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