CN107174972B - 一种超双亲多孔膜材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种超双亲多孔膜材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种超双亲多孔膜材料及其制备方法和应用，步骤如下：（1）室温下，先将碳纳米管粉体和表面活性剂分散于水中，形成均一混合溶液；（2）向上述混合溶液中加入水性三聚氰胺甲醛树脂溶液，混匀制得所需反应液；（3）将上述反应液刷涂或喷涂在干净的多孔基材上，80~120℃干燥固化10~30min，即可制得超双亲油水分离用多孔膜材料。本发明所述的多孔膜材料既保持了原有泡沫铜基底良好的机械性能，同时又具有很好的超双亲性，即可截留水让油通过，也可截留油让水通过，从而具有双重分离效果。

Description

一种超双亲多孔膜材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于膜材料技术领域，具体涉及一种超双亲多孔膜材料及其制备方法和在油水分离中应用。
背景技术
含油污水在石油开采、金属加工、化学化工、制药、食品加工和日常生活中普遍存在，其处理和排放所引起的经济、社会、环境等系列问题一直备受关注。油水分离特性不仅与材料和油水混合物性质有关，还与分离材料润湿性、表面粗糙度、孔特征及油水混合物与分离材料间的相互作用等密切相关。近年来，受“鲨鱼皮”水下超疏油性能的启发，通过材料表面微纳粗糙结构和化学组成的调控，研究人员已制备了多种具有超浸润性的金属、有机或无机多孔材料，实现了油和水的选择性高效分离，为含油污水处理提供了新的思路。
Yang等则将含有季铵基、羧基和含氟基团的聚二烯丙基二甲基氯化铵-全氟辛酸钠杂化聚合物涂覆于不锈钢丝网，通过表面亲水功能团的翻转，实现了超亲水超疏油特性，显示出了浮油和分散油的分离和耐污染效果。可见，超亲水技术用于油水分离多孔材料，具有良好的耐污染特性。该技术虽然具有油水分离的效果，但制备工艺复杂，并且所用原料为含氟化合物，对环境有一定的破坏作用，不利于环保，不能长期和大量的使用。
因此需要开发工艺简单、原料绿色廉价、无需复杂精密设备的高效耐污超浸润分离材料用于工业污水、油田泄漏及采出水等含油废水的处理，以满足商业应用的巨大需求。
发明内容
解决的技术问题：本发明提供一种超双亲复合多孔膜材料及其制备方法和应用，采用简单的刷涂或喷涂技术，即可在多孔基材表面获得超双亲复合多孔膜材料并用于层状油水混合物的分离。
技术方案：一种超双亲多孔膜材料的制备方法，步骤如下：（1）室温下，先将碳纳米管粉体和表面活性剂分散于水中，形成均一混合溶液；（2）向上述混合溶液中加入水性三聚氰胺甲醛树脂溶液，混匀制得所需反应液；（3）将上述反应液刷涂或喷涂在干净的多孔基材上，80~120℃干燥固化10~30min，即可制得超双亲油水分离用多孔膜材料。
上述多孔基材为去除表面油污并干燥后的泡沫铜、泡沫镍、不锈钢纤维毡、有机海绵、不锈钢网、铜网、滤纸、织物。
上述泡沫铜去除表面油污并干燥的流程为：将泡沫铜先后置于丙酮、无水乙醇中，在超声波清洗机中超声，去除表面油污，然后去离子水冲洗，烘箱中烘干或空气中晾干。
上述碳纳米管粉体为多壁碳纳米管、羟基能化多壁碳纳米管或羧基功能化多壁碳纳米管，碳纳米管的长度为10~20μm，外径约为50nm，纯度＞95%，碳纳米管在最终反应液中的质量浓度为0.5%~5%。
所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、TritonX-100或TNWDIS，在最终反应液中的质量浓度为1%~20%。
上述的步骤（2）是向步骤（1）的混合溶液中加入水性三聚氰胺甲醛树脂溶液，继续磁力搅拌10~20min，制得所需反应液，反应液中三聚氰胺甲醛树脂的质量浓度为2%~50%。
上述的步骤（3）是采用刷涂或喷涂的方法，利用毛刷或喷枪，将上述反应液刷涂或喷涂在多孔基材上，120℃干燥固化10min，即可制得超双亲油水分离用复合多孔膜材料。
上述的泡沫铜厚度为0.5~2.0mm，孔数为60~120PPI，孔径200~400微米，通孔率＞98%。
上述制备方法制得的超双亲多孔膜材料。
上述超双亲多孔膜材料在分离油水混合物中的应用。
所述的复合多孔膜材料可分离正己烷、异辛烷、正庚烷、正辛烷、液体石蜡、石油醚、液压油、机油、润滑油、原油、芝麻油、菜籽油、大豆油等多种有机溶剂、工业用油和食用油等的层状油水混合物。
有益效果：（1）本发明提出的制备方法工艺简单，原料易得，成本低；（2）本发明所述的多孔膜材料既保持了原有泡沫铜基底良好的机械性能，同时又具有很好的超双亲性，即可截留水让油通过，也可截留油让水通过，从而具有双重分离效果；（3）本发明所使用的喷涂溶液为三聚氰胺和碳纳米管共混水溶液，无需使用有机溶剂，且无需固化剂，完全自干；（4）三聚氰胺树脂可有效粘接碳纳米管和骨架基底，提高超双亲涂层的附着力，超双亲性也使得多孔膜具有优异的防污性，从而为油水混合物的长效分离提供了保障。
附图说明
图1为实施例1超双亲多孔泡沫铜复合膜材料空气中超亲水过程示意图。
图2为实施例1超双亲多孔泡沫铜复合膜材料空气中超亲油过程示意图。
图3为实施例1超双亲多孔泡沫铜复合膜材料水下油接触角图(二氯甲烷，152.3°)。
图4为实施例1超双亲多孔泡沫铜复合膜材料水下油接触角图(157.2°)。
图5为实施例2 超双亲多孔泡沫铜复合膜材料表面形貌SEM图。
图6为实施例3超双亲多孔泡沫铜复合膜材料分离原油/水混合物图。
图7为实施例4 超双亲多孔泡沫铜复合膜材料油水分离的循环分离性能图。
具体实施方式
以下实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
一种超双亲多孔膜材料的制备方法及油水分离应用，所述方法包括以下步骤：（1）清洗泡沫铜，去除表面油污并烘干或晾干。（2）室温下，先将碳纳米管粉体和表面活性剂分散于水中，采用超声和磁力搅拌交替进行的方法充分混合20~40min，形成均一混合溶液。（3）向上述混合溶液中加入水性三聚氰胺甲醛树脂溶液，继续磁力搅拌10~20min，制得所需反应液。（4）采用刷涂或喷涂的方法，利用毛刷或喷枪，将上述反应液刷涂或喷涂在干净的泡沫铜等多孔基材上，80~120℃干燥固化10~30min，即可制得超双亲油水分离用多孔膜材料。
泡沫铜等多孔基材的清洗流程为：将泡沫铜等多孔基材先后置于丙酮、无水乙醇中，在超声波清洗机中超声，去除表面油污，然后去离子水冲洗，烘箱中烘干或空气中晾干。
选用的碳纳米管粉体为多壁碳纳米管，羟基功能化多壁碳纳米管、羧基功能化多壁碳纳米管，碳纳米管的长度为10~20μm，外径约为50nm，纯度＞95%，碳纳米管在最终反应液中的质量浓度为0.5%~5%。表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、TritonX-100、TNWDIS等，在最终反应液中的质量浓度为1%~20%。水性三聚氰胺甲醛树脂的质量浓度为2%~50%。选用的泡沫铜厚度为0.5~2.0mm，孔数为60~120PPI，平均孔径200~400微米，通孔率＞98%。多孔基材为泡沫铜，但不限于泡沫铜，还包括泡沫镍、不锈钢纤维毡、有机海绵、不锈钢网、铜网、滤纸、织物等多孔材料。
所述超双亲多孔膜材料可分离正己烷、异辛烷、正庚烷、正辛烷、液体石蜡、石油醚、液压油、机油、润滑油、原油、芝麻油、菜籽油、大豆油等多种有机溶剂、工业用油和食用油等的层状油水混合物。
实施例1
（1）将泡沫铜(孔数120PPI，厚度0.5mm，平均孔径约200μm)，先后置于丙酮、无水乙醇中，在超声波清洗机中超声，去除表面油污，然后去离子水冲洗，烘箱中烘干或空气中晾干。（2）室温下，将含羟基多壁碳纳米管粉体（长度为10~20μm，外径约为50nm，纯度＞95%）和表面活性剂（TNWDIS，20wt.%）分散于水中，采用超声和磁力搅拌交替进行的方法充分混合20min，形成均一混合溶液，碳纳米管浓度为1.5 wt.%。（3）向上述混合溶液中加入水性三聚氰胺甲醛树脂溶液，继续磁力搅拌30min，制得所需反应液，三聚氰胺甲醛树脂溶液浓度为30 wt.%（4）采用喷涂的方法，用喷枪将上述最终反应液喷涂在干净的泡沫铜基材上，120℃干燥固化10min，即可制得超双亲油水分离用复合多孔膜材料。图1为多孔泡沫铜复合材料空气中超亲水过程，从图中可以看出，水滴刚一接触到该复合表面就会立即铺展并在毛细力的作用下进入材料的多孔结构中，表现了很好的超亲水性。图2为多孔泡沫铜复合材料空气中超亲油过程，从图中可以看出，与超亲水的亲附行为相似，油滴（正己烷）也同样会在复合材料表面立即铺展并进入材料的多孔结构内部，表现了优异的超亲油性。图3为水下时油滴（二氯甲烷）在多孔泡沫铜复合材料表面的接触角状态，经测量，水下油滴的接触角为152.3°，表现了很好的水下超疏油性。图4为油（正庚烷）下时水滴在多孔泡沫铜复合材料表面的接触角状态，经测量，油下水滴的接触角为157.2°，表现了极好的油下超疏水性。综上表明，本发明提出的制备方法所制备的复合多孔膜材料具有很好的超双亲性，同时具有优异的水下超疏油和油下超疏水的特殊润湿性。
实施例2
（1）将泡沫铜(孔数80PPI，厚度1.6mm，平均孔径约300μm)，先后置于丙酮、无水乙醇中，在超声波清洗机中超声，去除表面油污，然后去离子水冲洗，烘箱中烘干或空气中晾干。（2）室温下，将含多壁碳纳米管粉体（长度为10~20μm，外径约为50nm，纯度＞95%）和表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠，2 wt.%）分散于水中，采用超声和磁力搅拌交替进行的方法充分混合15min，形成均一混合溶液，碳纳米管浓度为0.5 wt.%。（3）向上述混合溶液中加入水性三聚氰胺甲醛树脂溶液，继续磁力搅拌10min，制得所需反应液，三聚氰胺甲醛树脂溶液浓度为2 wt.%。（4）采用刷涂的方法，用毛刷将上述最终反应液刷涂在干净的泡沫铜基材上，80℃干燥固化30min，即可制得超双亲油水分离用复合多孔膜材料。图5为超双亲多孔泡沫铜复合材料表面形貌SEM图，从图中可以看出碳纳米管和水性三聚氰胺复合物形成了微米级的团聚体，均匀的覆盖在泡沫铜的孔隙表面，同时微米级团聚体由是有管径为纳米级的碳纳米管形成，构成了团聚体纳米-微米级粗糙结构，为空气中超亲水超亲油和水下超疏油油下超疏水的特殊润湿性提供了条件。微米级团聚体和纳米级碳纳米管绒毛的复合结构极大的缩小了泡沫铜原始孔径，增加了分离界面的粗糙度，有利于油水混合物的高效分离。
实施例3
（1）将泡沫铜(孔数60PPI，厚度2.0mm，平均孔径约400μm)，先后置于丙酮、无水乙醇中，在超声波清洗机中超声，去除表面油污，然后去离子水冲洗，烘箱中烘干或空气中晾干。（2）室温下，将含羧基多壁碳纳米管粉体（长度为10~20μm，外径约为50nm，纯度＞95%）和表面活性剂（十二烷基硫酸钠，2 wt.%）分散于水中，采用超声和磁力搅拌交替进行的方法充分混合40min，形成均一混合溶液，碳纳米管浓度为2 wt.%。（3）向上述混合溶液中加入水性三聚氰胺甲醛树脂溶液，继续磁力搅拌30min，制得所需反应液，三聚氰胺甲醛树脂溶液浓度为50 wt.%。（4）采用刷涂的方法，用毛刷将上述最终反应液涂覆在干净的泡沫铜基材上，100℃干燥固化15min，即可制得超双亲油水分离用复合多孔膜材料。将制备的复合多孔膜材料用于层状油水混合物的分离，如图6所示，图中为原油/水混合物的分离过程，经超双亲油水分离用复合多孔膜材料的分离，原油和水实现了完全分离，在分离装置的下端，只有水渗透过复合膜材料进入到收集装置，而原油被截留在复合膜上端，水中无明显油存在，原油中也未见水的明显存在，表明该复合膜材料具有很好的油水分离性能。
实施例4
（1）将泡沫铜(孔数120PPI，厚度1.8mm，平均孔径约200μm)，先后置于丙酮、无水乙醇中，在超声波清洗机中超声，去除表面油污，然后去离子水冲洗，烘箱中烘干或空气中晾干。（2）室温下，将含羟基多壁碳纳米管粉体（长度为10~20μm，外径约为50nm，纯度＞95%）和表面活性剂（TNWDIS，15 wt.%）分散于水中，采用超声和磁力搅拌交替进行的方法充分混合20min，形成均一混合溶液，碳纳米管浓度为5 wt.%。（3）向上述混合溶液中加入水性三聚氰胺甲醛树脂溶液，继续磁力搅拌30min，制得所需反应液，三聚氰胺甲醛树脂溶液浓度为10wt.%。（4）采用喷涂的方法，用喷枪将上述最终反应液喷涂在干净的泡沫铜基材上，90℃干燥固化20min，即可制得超双亲油水分离用复合多孔膜材料。将制备的该超双亲油水分离用复合多孔膜材料用于正庚烷/水的连续油水分离中，用于测试复合膜的循环分离性能。如图7所示，经过大约130的循环分离后，该复合膜的分离效率依然在90%以上，在分离的过程中，会有分离效率下降的情况，当分离效率下降到一定程度时，用清水冲洗复合膜，将复合膜表面残留的油污去除，再进行下一个循环的分离，从图中可以看出，经清水清洗后，复合膜的分离性能得到极好的恢复，经四个分离-清洗循环后，该复合膜仍然保持优异的分离性能。综上表明，超双亲油水分离用复合多孔膜材料可用于油水分离应用，并具有极好的循环分离性能和耐久性能。

Claims (6)

1.一种超双亲多孔膜材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）室温下，先将碳纳米管粉体和表面活性剂分散于水中，形成均一混合溶液；所述碳纳米管粉体为多壁碳纳米管、羟基功能化多壁碳纳米管或羧基功能化多壁碳纳米管，碳纳米管的长度为10~20μm，外径为50nm，纯度＞95%，碳纳米管在最终反应液中的质量浓度为0.5%~5%；
（2）向上述混合溶液中加入水性三聚氰胺甲醛树脂溶液，继续磁力搅拌10~20min，制得所需反应液，反应液中三聚氰胺甲醛树脂的质量浓度为2%~50%；
（3）将上述反应液刷涂或喷涂在干净的泡沫铜上，所述的泡沫铜厚度为0.5~2.0mm，孔数为60~120PPI，孔径200~400微米，通孔率＞98%；80~120℃干燥固化10~30min，即可制得超双亲油水分离用多孔膜材料。
2.根据权利要求1所述超双亲多孔膜材料的制备方法，其特征在于所述泡沫铜去除表面油污并干燥的流程为：将泡沫铜先后置于丙酮、无水乙醇中，在超声波清洗机中超声，去除表面油污，然后去离子水冲洗，烘箱中烘干或空气中晾干。
3.根据权利要求1所述超双亲多孔膜材料的制备方法，其特征在于所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或TritonX-100，在最终反应液中的质量浓度为1%~20%。
4.根据权利要求1所述超双亲多孔膜材料的制备方法，其特征在于所述的步骤（3）是采用刷涂或喷涂的方法，利用毛刷或喷枪，将上述反应液刷涂或喷涂在泡沫铜上，120℃干燥固化10min，即可制得超双亲油水分离用复合多孔膜材料。
5.根据权利要求1~4任一所述制备方法制得的超双亲多孔膜材料。
6.权利要求5所述超双亲多孔膜材料在分离油水混合物中的应用。
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