CN105879429A - 一种新型油水分离材料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型油水分离材料及其使用方法，解决了现有材料耐久性不够等问题。具体由基体及附着于基体表面的涂层组成，所述基体材料为泡沫镍、泡沫铜或泡沫钛中的一种；形成所述基体表面涂层的乳液，由改性树脂、有机溶剂、低表面能物质及纳米粒子组成；将新型油水分离材料制作成具有连接口的容器，容器的连接口与泵的入口连接，建立油（有机物）水分离系统。该油（有机物）水分离系统在连续分离7天内还等保持很好的疏水性，分离效率非常高，分离工作量能达到自身重量的万倍以上。

Description

一种新型油水分离材料及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种油水分离材料及该材料的使用方法。

背景技术

超疏水超亲油材料对油和水有着不一样的润湿性质，可以彻底分离水和油的混合物，因此可应用于油水分离系统中。目前，油水分离系统中应用的超疏水超亲油材料主要有海绵，不锈钢网、纤维布等。中国专利CN201510696202（一种基于单组份聚氨酯制备超疏水超亲油网布材料的方法）公开了利用浸涂方法制备超疏水超亲油功能的网布，虽然网布具有疏水性质，但进行油水分离时需要借助工具及设备支撑网布，使用起来比较麻烦，而且增加系统体积，另外，网布涂层上的小分子易丢失，表面结构容易被破坏，所以网布的耐久性不高，不利于长期使用。专利CN201510483892（一种由蜡烛灰辅助的超疏水超亲油油水分离网膜及其制备方法和应用）公开了在铜网上利用电化学沉积的方法制备超疏水超亲油表面的技术，该专利制备的涂层与基材结合力不好，表面粗糙结构容易被破坏，导致油/水分离耐久性不高。专利CN201510656105（一种超疏水超亲油海绵材料的制备方法与应用）涉及一种超疏水超亲油海绵的制备方法。因其对油的吸收量和有机溶剂的通量有限，且海绵的力学强度也不足，导致其处理量和分离效率难以达到工程应用的要求。

因此，设计一个使用方便、超疏水超亲油性能持久、不容易被破坏的油水分离材料，并且利用该材料建立一个处理量大、分离效率高的油（有机物）水分离系统，在实际应用中有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的油水分离材料，该材料的超疏水超亲油性能持久，不易被破坏，使用方便。

本发明的另一个目的是提供该材料的使用方法，按照该方法建立的油水分离系统，处理量大，分离效率高。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种新型油水分离材料，由基体及附着于基体表面的涂层组成，所述基体材料为泡沫镍、泡沫铜或泡沫钛中的一种；形成所述基体表面涂层的乳液，按照重量份计算，其组成为：

改性树脂 80-98，

有机溶剂 60-100，

低表面能物质 0.01-5，

纳米粒子 1.99-18，

所述改性树脂，是在聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、氟化乙烯丙烯共聚物FEP、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS中，选取若干种，加入硅烷偶联剂，再加入凹凸棒石粘土、分子筛、粉煤灰、滑石粉中的一种或多种，经过球磨而获得；上述树脂与无机填料的重量份数比为9-12:1，树脂与硅烷偶联剂的重量份数比为100:1-3；

所述有机溶剂为乙酸乙酯、乙醇、正己烷中的一种或多种的混合；

所述低表面能物质为聚二甲基硅氧烷PDMS、全氟辛基三乙氧基硅烷中的一种或两种的混合；

所述纳米粒子为纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米碳化硅中的一种或多种的混合。

优选树脂与无机填料的重量份数比为10:1。

上述新型油水分离材料的制备方法是：

（1）基体表面预处理；

（2）形成所述涂层的乳液的制备

将改性树脂、低表面能物质及纳米粒子加入到有机溶剂中后进行超声处理，直至粉末完全分散到溶剂中；

（3）基体表面涂层的制备

将步骤（2）乳液均匀涂覆于基体表面，然后进行常温或加热固化。

上述新型油水分离材料的使用方法是：

将新型油水分离材料制作成具有连接口的容器，容器的连接口与泵的入口固定连接，容器置于油水混合物或有机物与水的混合物中，泵的出口连接收集槽。

本发明的有益效果：

（1）本油水分离材料制备过程中，低表面能物质和改性树脂发生微相分离，改性树脂向下沉积，提高了涂层与泡沫金属的粘接力。低表面能物质向上迁移，降低了涂层的表面能。无机填料与纳米粒子相结合，提供了超疏水表面的纳微结构，使其具有超疏水超亲油的性质；

（2）本发明材料使用方法，不仅可以分离油水混合物，还可以分离重于水的有机物。油（有机物）水分离系统在连续分离7天内还等保持很好的疏水性，分离效率非常高，分离工作量能达到自身重量的万倍以上。在分离过程中不会污染油（有机物），而且性能稳定，在不使用时也不会发生质变，不会影响其使用；

（3）由于本发明提供的油水分离材料制备工艺简单，只需要一步简单的喷涂，涂层厚度可控，不需要任何复杂的设备，原料来源广泛，生产周期短。所有原材料和溶剂都是无毒或低毒的，在制备的过程中，没有与其他化学品的直接接触的过程，就算发生直接接触也不会对人身安全产生明显的影响。

附图说明

图1为未喷涂的泡沫镍表面的SEM 图。

图2为实施例1中泡沫镍容器的SEM 图。

图3为实施例1中泡沫镍容器在油水分离7天后的SEM 图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1：

一、材料的制备

（1）泡沫镍表面预处理：

采用浓硫酸和浓硝酸体积比3：1对泡沫镍容器表面进行处理后，放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干；

（2）形成所述涂层的乳液的制备：

①将10份PU树脂，20份FEP树脂，30份PTFE，20份PVDF，8份滑石粉和0.8份硅烷偶联剂经过球磨机研磨4小时；

②将上述80份改性树脂，2份PDMS，18份碳纳米管加入100份乙醇溶剂中后放入超声仪进行超声处理，直至粉末完全分散到溶剂中；

（3）在泡沫镍表面喷涂乳液：

采用喷嘴直径为0.6mm的喷枪，并调整喷枪的喷嘴与待喷涂面的距离为15m，在喷涂压力为50kPa和移动速度为5cm/s的条件下进行喷涂，至泡沫镍表面喷匀；

（4）材料固化：

将已进行喷涂的泡沫镍加热至200度，固化3小时；

（5）容器的制作：

将泡沫镍基材制作成3cm×3cm×3cm正方形容器。

二、油水分离实验

本实验涉及到的油水分离效率，其计算公式如下：

泵的入口管连接泡沫镍容器，并使容器置于润滑油和水混合物中，容器中水为700ml和润滑油为200ml，当200ml润滑油分离结束时，再添加200ml润滑油，直至实验结束；泵的出口连接管道收集槽。调整泵压，使润滑油通量稳定在1500Lm^-2h^-1~1800Lm^-2h^-1，进行7天油水分离（每天工作10小时）。7天后管道收集槽中吸收油95.47升，水0.86升，油水分离效率为99.1% [（1-0.86/95.47）*100%]，泡沫镍容器7天后水的接触角为131°。

三、水与有机物分离实验：

本实验涉及到的水与有机物分离效率，其计算公式如下：

泵的入口管连接泡沫镍容器，并使容器位于水和氯仿混合物中（稳定保持水和氯仿的比例为7:2），而泵的出口连接管道收集槽。调整泵压，使氯仿通量稳定在4000Lm^-2h^-1~4300Lm^-2h^-1，进行5天水与有机物分离（每天工作10小时）。5天后管道收集槽中收集氯仿180.82升，水1.27升，水与有机物分离效率为99.3% [(1-1.27/180.82)*100%]。

图1 为未喷涂的泡沫镍表面的SEM 图；图2 为本实施例1制备的泡沫镍容器的SEM图；可以看出本实施例1制备的泡沫镍表面呈现微纳米级的粗糙结构；图3 为泡沫镍容器在油水分离7天后的SEM 图；可以看出腐蚀性溶液侵蚀泡沫镍表面，导致涂层的损失，但损失很少，所以表面还具有高疏水性。

对比例1：

（1）将铜网分别在丙酮，无水乙醇和水中超声清洗5分钟；

（2）称取1.4204g无水硫酸钠和1.7048g二水合氯化铜，配制200ml的0.05mol/L电解质溶液；

（3）在配制的电解质溶液中，以铂片为阳极，将经过预处理的铜网为阴极，在0.5V电压下电沉积6分钟，温度为25℃；

（4）上步沉积后的铜网置于距离燃烧的蜡烛火焰2cm高处进行蜡烛灰沉积4分钟，自然冷却；

（5）油水分离实验：

将制备的铜网制作成正方体，泵的入口管连接铜网容器，使容器置于润滑油和水混合物中（稳定保持水和润滑油的比例为7:2），而泵的出口连接管道收集槽。调整泵压，使润滑油通量稳定在1500Lm^-2h^-1~1800Lm^-2h^-1，进行1天油水分离，管道收集槽中收集润滑油12.6升，水1.89升，油水分离效率85.0%，疏水角为106°。

对比实施例1可以看出，油水分离效率及疏水角都有明显的下降。

实施例2：

一、材料的制备

（1）泡沫铜表面预处理：

采用喷砂办法对泡沫铜表面进行快速表面处理后放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干；

（2）形成所述涂层的乳液的制备：

①将10份PU树脂，20份FEP树脂，30份PTFE，20份PVDF，8份滑石粉和2.4份硅烷偶联剂经过球磨机研磨4小时；

②上述80份改性树脂，2份PDMS，18份碳纳米管加入100份乙醇溶剂后放入超声仪进行超声处理，直至粉末完全分散到溶剂中；

（3）在泡沫铜表面喷涂乳液：

采用喷嘴直径为0.2mm的喷枪，并调整喷枪的喷嘴与待喷涂面的距离为10m，在喷涂压力为20kPa和移动速度为2cm/s的条件下进行喷涂，至泡沫铜表面喷匀；

（4）材料固化：

将已进行喷涂的泡沫铜加热至280度，固化3小时；

（5）容器的制作：

将泡沫铜基材制作成1cm×1cm×9cm长方形容器。

二、油水分离实验：

实验方法同实施例1。7天后管道收集槽中收集油94.02升，水1.04升，油水分离效率为98.9%。泡沫铜容器在7天后水的接触角为132°。

三、水与有机物分离实验：

实验方法同实施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿179.37升，水1.81升水，水与有机物分离效率为99.0%。

实施例3：

一、材料的制备

（1）泡沫钛表面预处理：

采用7mol/L硝酸对泡沫镍表面进行处理后放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干；

（2）形成所述涂层的乳液的制备：

①将28份PU树脂，20份PPS树脂，25份PTFE，25份PVDF树脂，9.8份分子筛和1份硅烷偶联剂经过球磨机研磨6小时，使其以后均匀分散在乳液中；

②上述98份改性树脂，0.01份PDMS，1.99份碳纳米管加入80份正己烷溶剂后放入超声仪进行超声处理，直至粉末完全分散到溶剂中；

（3）在泡沫钛表面喷涂乳液：

采用喷嘴直径为1mm的喷枪，并调整喷枪的喷嘴与待喷涂面的距离为20m，在喷涂压力为100kPa和移动速度为7cm/s的条件下进行喷涂，至泡沫钛容器表面喷匀；

（4）材料固化：

将已进行喷涂的泡沫钛加热至220度，固化3小时；

（5）容器的制作：

将泡沫钛基材制作成1cm×1cm×9cm长方形容器。

二、油水分离实验：

实验方法同实施例1。7天后管道收集槽中吸收油96.24升，水0.77升，油水分离效率为99.2%。7天后水的接触角为129°。

三、水与有机物分离实验：

实验方法同实施例1。5天管道收集槽中吸收氯仿182.73升，水0.91升，与有机物分离效率为99.5%。

实施例4：

一、材料的制备

（1）泡沫镍表面预处理：

采用2mol/L硝酸对泡沫镍表面进行处理后放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干；

（2）形成所述涂层的乳液的制备：

①将15份PU树脂，35份FEP树脂，35份PVDF树脂，10份PPS树脂，9.5份粉煤灰和1份硅烷偶联剂经过球磨机研磨6小时；

②上述94.99份改性树脂，0.01份全氟辛基三乙氧基硅烷，5份纳米碳化硅加入100份乙醇溶剂后放入超声仪进行超声处理，直至粉末完全分散到溶剂中；

（3）在泡沫镍表面喷涂乳液：

采用喷嘴直径为0.4mm的喷枪，并调整喷枪的喷嘴与待喷涂面的距离为15m，在喷涂压力为40kPa和移动速度为4cm/s的条件下进行喷涂，至泡沫镍容器表面喷匀；

（4）材料固化：

将已进行喷涂的泡沫镍加热至240度，固化3小时；

（5）容器的制作：

将泡沫镍基材制作成3cm×3cm×3cm正方形容器。

二、油水分离实验：

实验方法同实施例1。7天后管道收集槽中吸收油101.05升，水0.61升，油水分离效率为99.4%。7天后水的接触角为133°。

②水与有机物分离实验：

实验方法同实施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿185.64升，水0.74升，水与有机物分离效率为99.6%。

实施例5：

一、材料的制备

（1）泡沫铜表面预处理：

采用7mol/L盐酸对泡沫铜表面进行处理后放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干；

（2）形成所述涂层的乳液的制备：

①将22份PU树脂，25份FEP树脂，25份PTFE树脂，20份PVDF，3份凹凸棒石粘土，6份分子筛和2份硅烷偶联剂经过球磨机研磨8小时；

②上述92份改性树脂， 5份PDMS，2份纳米疏水二氧化硅和1份碳纳米管加入60份乙酸乙酯溶剂后放入超声仪进行超声处理，直至粉末完全分散到溶剂中；

（3）在泡沫铜表面喷涂乳液：

采用喷嘴直径为0.6mm的喷枪，并调整喷枪的喷嘴与待喷涂面的距离为10m，在喷涂压力为80kPa和移动速度为6cm/s的条件下进行喷涂，至泡沫铜表面喷匀；

（4）材料固化：

将已进行喷涂的泡沫铜在室温下固化；

（5）容器的制作：

将泡沫铜基材制作成3cm×3cm×3cm正方形容器。

二、油水分离实验：

实验方法同实施例1。7天后管道收集槽中吸收油98.65升，水0.69升，油水分离效率为99.3%。7天后水的接触角为131°。

三、水与有机物分离实验：

实验方法同实施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿182.27升，水1.10升，水与有机物分离效率为99.4%。

实施例6：

一、材料的制备

（1）泡沫钛表面预处理：

采用浓盐酸酸和浓硝酸体积比3：1对泡沫钛表面进行处理后放入乙醇溶液中进行超声清洗，以去除其表面油脂、灰尘等杂质，乙醇溶液质量浓度为75%，取出并自然晾干；

（2）形成所述涂层的乳液的制备：

①将34份PU树脂，20份FEP，10份TFE树脂，25份PVDF，3份滑石粉，5份粉煤灰和2.5份硅烷偶联剂经过球磨机研磨8小时；

②上述89份改性树脂，1份全氟辛基三乙氧基硅烷，10份碳纳米管和5份纳米碳化硅加入80份正己烷溶剂后放入超声仪进行超声处理，直至粉末完全分散到溶剂中；

（3）在泡沫钛表面喷涂乳液：

采用喷嘴直径为0.5mm的喷枪，并调整喷枪的喷嘴与待喷涂面的距离为10m，在喷涂压力为60kPa和移动速度为5cm/s的条件下进行喷涂，至泡沫钛表面喷匀；

（4）材料固化：

将已进行喷涂的泡沫钛基材加热至150度，固化3小时；

（5）容器的制作：

将泡沫钛基材制作成1cm×1cm×9cm长方形容器。

二、油水分离实验：

实验方法同实施例1。7天后管道收集槽中吸收油94.75升，水0.95升，油水分离效率为99.0%。7天后水的接触角为132°。

三、水与有机物分离实验：

实验方法同实施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿179.86升，水1.63升，水与有机物分离效率为99.1%。

Claims (4)

1.一种新型油水分离材料，由基体及附着于基体表面的涂层组成，所述基体材料为泡沫镍、泡沫铜或泡沫钛中的一种；形成所述基体表面涂层的乳液，按照重量份计算，其组成为：

改性树脂 80-98，

有机溶剂 60-100，

低表面能物质 0.01-5，

纳米粒子 1.99-18，

所述改性树脂，是在聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、氟化乙烯丙烯共聚物FEP、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS中，选取若干种，加入硅烷偶联剂，再加入凹凸棒石粘土、分子筛、粉煤灰、滑石粉中的一种或多种，经过球磨而获得；上述树脂与无机填料的重量份数比为9-12:1，树脂与硅烷偶联剂的重量份数比为100:1-3；

所述有机溶剂为乙酸乙酯、乙醇、正己烷中的一种或多种的混合；

所述低表面能物质为聚二甲基硅氧烷PDMS、全氟辛基三乙氧基硅烷中的一种或两种的混合；

所述纳米粒子为纳米二氧化硅、碳纳米管、纳米碳化硅中的一种或多种的混合。

2.根据权利要求1所述的新型油水分离材料，其特征在于：树脂与无机填料的重量份数比为10:1。

3.权利要求1所述的新型油水分离材料的制备方法是：

（1）基体表面预处理；

（2）形成所述涂层的乳液的制备

将改性树脂、低表面能物质及纳米粒子加入到有机溶剂中后进行超声处理，直至粉末完全分散到溶剂中；

（3）基体表面涂层的制备

将步骤（2）乳液均匀涂覆于基体表面，然后进行常温或加热固化。

4.权利要求1所述的新型油水分离材料的使用方法是：

将新型油水分离材料制作成具有连接口的容器，容器的连接口与泵的入口固定连接，容器置于油水混合物或有机物与水的混合物中，泵的出口连接收集槽。