CN107174970A - 一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法及其用途 - Google Patents

一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法及其用途，制备步骤如下：步骤1、将不锈钢网浸渍于氧化石墨烯和Na2CO3混合溶液中，浸渍完毕，浸入蒸馏水中漂洗，烘干；步骤2、将步骤1烘干后的产品浸渍于CaCl2溶液中进行反应，反应完毕，浸入蒸馏水中漂洗，烘干；步骤3、重复步骤1和步骤2中的操作，得到GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料。本发明通过简单浸渍法制备了GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料。通过多次浸渍，将GO和CaCO3负载到不锈钢网上，仿生构建了类贝壳结构。该制备方法简单且环保，为制备超亲水‑水下超疏油膜材料提供了新思路。

Description

一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法及其用途
技术领域
本发明涉及一种GO/CaCO3类贝壳仿生膜材料的制备方法及其用途，属环境功能材料制备技术领域。
背景技术
随着人们对物质生活水平要求的不断升高，在工业生产和日常生活过程中会产生各种各样的废水，其中不乏含油废水或者含水的油类污染物。这些污染物的随意排放不仅会对环境造成不可挽回的破坏，还是对资源的浪费。另外，海洋原油的的泄露也时常发生，也会对整个海洋生态带来巨大的危害，甚至会危及人类的生活环境和食品安全。因此，对于此类问题的合理处理就显得尤为重要。相对于传统的焚烧的方式，现在人们更倾向于采取相应手段实现油水混合物的有效分离，这不仅避免了二次污染的发生，而且分离产物得以回收又避免了资源的浪费。
传统的油水分离技术包括重力分离、过滤、离心、泡沫浮选对于简单的油水混合物的分离是有效地分离手段，但是传统的分离手段分离效率低并且需要较高的额外成本。此外，这些分离手段还难以实现油水乳状液的有效分离。相对于其他的分离方式对设备的要求以及能量消耗大的缺点，油水分离膜以其简洁高效的优点越来越受到人们的重视。尽管成本较低的可用性疏水/亲油吸附材料和过滤膜已经得到广泛应用，但是其仍然存在两个主要的缺陷：首先，在分离过程中吸附材料会对油和水同时吸收降低了油水分离效率，其次分离过程中分离膜的网孔容易堵塞和污染，严重影响吸附效率和分离速度，这些都使得材料的性能难以恢复并重复使用。然而，随着工业的发展以及人们环保意识的增强，人们对于油水分离膜的要求越来越高。人们希望新的油水分离膜具有更高的油水分离效率、膜表面具有自清洁性能以及更加宽泛的适用范围。
随着界面科学以及仿生学的快速发展，尤其是超疏水表面以及在此基础上衍生出的水下超疏油表面的成功制备为油水分离膜提供了新的选择。特殊浸润性油水分离膜具有分离效率高、可重复使用并且只在重力作用下就可高效彻底的实现油水混合物的分离。与传统的分离方法相比，特殊浸润性油水分离膜在分离速度和分离效率方面具有明显的优势。利用特殊浸润性材料实现油水混合物的分离，油水分离材料一般具有对水和油截然相反的润湿性能。通常，油水分离材料可以由两种组合方式来实现要么是超疏水/超亲油材料或者采用超疏油/超亲水材料。现在报道的特殊浸润性油水分离大多采用第一种方式，人们已经在各种基底上制备出了超疏水/超亲油的膜材料并成功应用于油水混合物的分离。由于超疏油/超亲水材料制备困难，科研工作者巧妙地避开这一难题制备出了水下超疏油/空气中超亲水材料并成功用于油水分离。这种新的材料可以有效克服除油类分离膜易被油污染堵塞的缺点。另外，因为水的密度通常大与油的密度，所以水首先与膜材料接触形成一层水膜避免了油相与膜材料的接触。
发明内容
本发明涉及一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，该方法制备的仿生膜展现出优异的超亲水-水下超疏油性质，并能对油水混合物进行有效分离。
本实验以不锈钢网为基底，通过简单浸渍法在不锈钢网表面负载GO/CaCO3类贝壳层，成功制备了GO/CaCO3复合膜，并将其用于油水混合物的分离。通过各种表征技术对复合膜的物理和化学性质进行分析。
本发明采用的技术方案是：
一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，步骤如下：
步骤1、将不锈钢网浸渍于氧化石墨烯(GO)和碳酸钠(Na2CO3)混合溶液中，浸渍完毕，浸入蒸馏水中漂洗，烘干；
步骤2、将步骤1烘干后的产品浸渍于CaCl2溶液中进行反应，反应完毕，浸入蒸馏水中漂洗，烘干；
步骤3、重复步骤1和步骤2中的操作，得到氧化石墨烯/碳酸钙类贝壳仿生复合膜材料，记为GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料。
步骤1中，所述混合溶液中，所述GO的浓度为1.0～10mg/mL，Na2CO3的浓度为1.0～10mg/mL。
步骤1中，所述浸渍的时间为1～5min。
步骤2中，所述CaCl2溶液的浓度为1.0～10mg/mL。
步骤2中，所述浸渍的时间为0.5～3.0min。
步骤1、2中，所述浸入蒸馏水中漂洗的时间为3.0～10.0s。
步骤1、2中，所述烘干温度均为40～60℃，时间均为3～5min。
步骤3中，所述重复操作次数为5～45次。
所述GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料用于油水混合物分离。
有益效果：
(1)本发明通过简单浸渍法制备了GO/CaCO3复合膜。通过多次浸渍，将GO和CaCO3负载到不锈钢网上，仿生构建了类贝壳结构。该制备方法简单且环保，为制备超亲水-水下超疏油膜材料提供了新思路。
(2)利用GO/CaCO3复合膜对油水混合物进行分离时，复合膜具有优异的分离效果，对多种油类的分离材料都达到了99％以上。
(3)GO/CaCO3复合膜具有良好的稳定性和循环使用性，在重复分离100mL体积比为1：1的油水混合物20次后，分离效率依然较高，说明其作为油水分离膜材料的潜在性。
附图说明
图1是实施例3的GO/CaCO3复合膜在不同放大倍数下的SEM图。
图2是实施例3的水下油滴接触角示意图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
实施例1：
步骤1：
将不锈钢网裁剪成2×2cm，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于20mL GO和Na2CO3的混合溶液，其中，GO的浓度为1mg/mL，Na2CO3的浓度为1mg/mL，浸渍1min，然后置于清水中漂洗3s，放入40℃的烘箱中干燥3min；再将网膜浸入1mg/mL的CaCl2溶液中，反应0.5min，浸入蒸馏水中漂洗3s；将上述步骤重复5次，最后将样品烘干，得到GO/CaCO3-A1,5复合膜。
步骤2：
将制得的GO/CaCO3-A1,5复合膜固定到自制的油水分离装置，先用蒸馏水将网膜表面润湿，然后将100mL体积比为1：1的环己烷和水的混合溶液倒入搭好的装置中。为了更准确地测定复合膜的油水分离效率，样品被分为3份，且每个样品测试3次。整个实验过程在重力条件下进行。油水分离效率按以下公式计算：
其中R为分离效率，M0和Mp分别为分离前后油的重量。
实验结果表明GO/CaCO3-A1,5复合膜对环己烷具有优异的油水分离性能，其分离效率达到了98.5％。
实施例2：
步骤1：
将不锈钢网裁剪成2×2cm，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于30mL GO和Na2CO3的混合溶液，其中，GO的浓度为3mg/mL，Na2CO3的浓度为3mg/mL，浸渍2min，然后置于清水中漂洗3s，放入40℃的烘箱中干燥3min；再将网膜浸入3mg/mL的CaCl2溶液中，反应0.5min，浸入蒸馏水中漂洗3s；将上述步骤重复5次，最后将样品烘干，得到GO/CaCO3-A3,5复合膜。
步骤2：
将制得的GO/CaCO3-A1,5复合膜固定到自制的油水分离装置，按照实施例1中步骤2的操作进行油水分离实验，实验结果表明油水分离效率为99.0％。
实施例3：
步骤1：
将不锈钢网裁剪成2×2cm，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于20mL GO和Na2CO3的混合溶液，其中，GO的浓度为5mg/mL，Na2CO3的浓度为5mg/mL，浸渍3min，然后置于清水中漂洗3s，放入50℃的烘箱中干燥3min；再将网膜浸入5mg/mL的CaCl2溶液中，反应1.0min，浸入蒸馏水中漂洗3s；将上述步骤重复15次，最后将样品烘干，得到GO/CaCO3-A5,15复合膜。
步骤2：
将制得的GO/CaCO3-A5,15复合膜固定到自制的油水分离装置，按照实施例1中步骤2的操作进行油水分离实验，实验结果表明油水分离效率为99.7％，有着最佳的油水分离性能。
实施例4：
步骤1：
将不锈钢网裁剪成2×2cm，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于40mL GO和Na2CO3的混合溶液，其中，GO的浓度为7mg/mL，Na2CO3的浓度为7mg/mL，浸渍3min，然后置于清水中漂洗5s，放入50℃的烘箱中干燥4min；再将网膜浸入7mg/mL的CaCl2溶液中，反应2.0min，浸入蒸馏水中漂洗5s；将上述步骤重复25次，最后将样品烘干，得到GO/CaCO3-A7,25复合膜。
步骤2：
将制得的GO/CaCO3-A7,25复合膜固定到自制的油水分离装置，按照实施例1中步骤2的操作进行油水分离实验，实验结果表明油水分离效率为99.1％。
实施例5：
步骤1：
将不锈钢网裁剪成2×2cm，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于50mL GO和Na2CO3的混合溶液，其中，GO的浓度为10mg/mL，Na2CO3的浓度为10mg/mL，浸渍5min，然后置于清水中漂洗7s，放入50℃的烘箱中干燥5min；再将网膜浸入10mg/mL的CaCl2溶液中，反应3.0min，浸入蒸馏水中漂洗7s；将上述步骤重复35次，最后将样品烘干，得到GO/CaCO3-A10,35复合膜。
步骤2：
将制得的GO/CaCO3-A10,35复合膜固定到自制的油水分离装置，按照实施例1中步骤2的操作进行油水分离实验，实验结果表明油水分离效率为99.0％。
实施例6：
步骤1：
将不锈钢网裁剪成2×2cm，用丙酮和无水乙醇超声清洗，烘干，浸渍于50mL GO和Na2CO3的混合溶液，其中，GO的浓度为10mg/mL，Na2CO3的浓度为10mg/mL，浸渍5min，然后置于清水中漂洗10s，放入60℃的烘箱中干燥5min；再将网膜浸入10mg/mL的CaCl2溶液中，反应3.0min，浸入蒸馏水中漂洗10s；将上述步骤重复45次，最后将样品烘干，得到GO/CaCO3-A10,45复合膜。
步骤2：
将制得的GO/CaCO3-A10,45复合膜固定到自制的油水分离装置，按照实施例1中步骤2的操作进行油水分离实验，实验结果表明油水分离效率为98.6％。
图1是实施例3的GO/CaCO3复合膜的SEM图，从图中可以看出GO和CaCO3成功地负载到不锈钢网表面，构筑了微纳复合结构。
图2是实施例3的水下油滴接触角示意图，膜材料的接触角达到了163o，实现了水下超疏油。

Claims (9)

1.一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、将不锈钢网浸渍于氧化石墨烯和Na2CO3混合溶液中，浸渍完毕，浸入蒸馏水中漂洗，烘干；
步骤2、将步骤1烘干后的产品浸渍于CaCl2溶液中进行反应，反应完毕，浸入蒸馏水中漂洗，烘干；
步骤3、重复步骤1和步骤2中的操作，得到GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料。
2.根据权利要求1所述的一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述混合溶液中，所述GO的浓度为1.0～10mg/mL，Na2CO3的浓度为1.0～10mg/mL。
3.根据权利要求1所述的一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述浸渍的时间为1～5min。
4.根据权利要求1所述的一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述CaCl2溶液的浓度为1.0～10mg/mL。
5.根据权利要求1所述的一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述浸渍的时间为0.5～3.0min。
6.根据权利要求1所述的一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，其特征在于，步骤1、2中，所述浸入蒸馏水中漂洗的时间为3.0～10.0s。
7.根据权利要求1所述的一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，其特征在于，步骤1、2中，所述烘干温度均为40～60℃，时间均为3～5min。
8.根据权利要求1所述的一种GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述重复操作次数为5～45次。
9.权利要求1～8任意一项所述的方法制备的GO/CaCO3类贝壳仿生复合膜材料用于油水混合物分离的用途。
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