CN107349638A - 一种由板式固体表面力场差异性构建的液‑液分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由板式固体表面力场差异性构建的液‑液分离方法。包括以下步骤：待分离油水混合液从板材A和板材B的间隙中流过，板材A和板材B的表面分别具有亲油疏水性和亲水疏油性；凭借板材A和板材B表面对油水混合液的表面力场差异性，产生不同的黏附力，收集通过的液体并静止实现油水分离。本发明所的分离方法不仅包括分散相的聚结和分离过程，同时也包含连续相的聚结和分离过程，从而缩短分离时间，提高分离效果，在油水分离过程、破乳过程、萃取过程中具有良好的效果。

Description

一种由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法

技术领域

本发明具体涉及一种由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法。

背景技术

材料制备及使用过程发生的种种物理化学变化，都是由材料表面向材料内部逐渐进行的，这些过程的进行都依赖于材料的表面结构与性质。人们平时遇到和使用的各种材料其体积大小都是有限的，即材料总有表面暴露在与其接触的介质内。相互接触的界面上或快或慢的发生一系列物理化学作用。产生表面现象的根本原因在于材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高能量状态。

固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面：表面是指固体与真空的界面(不考虑吸附)。界面指相邻两个结晶空间的交界面，又称为“晶界”。相界面指相邻相之间的交界面。相界面有三类，如固相与固相的相界面(s/s)；固相与气相之间的相界面(s/g)；固相与液相之间的相界面(s/L)。

由于制备、加工条件、晶格缺陷、空位或位错造成固体表面的不均一性。与液体相比，固体的表面自由能和表面张力具备如下差异性：1)固体的表面自由能中包含了弹性能。2)固体的表面张力是各向异性的。3)实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。

固体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。依性质不同，表面力可分为：化学力和分子引力。

表面力的存在使固体表面处于较高能量状态。但系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的能量，这就导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来晶格的畸变。液体通过形成球形表面来降低系统的表面能，而晶体由于质点不能自由流动，只能借助于离子极化或位移来实现，造成了表面层与内部的结构差异。

针对原油脱盐脱水预处理，美国MERICHEM公司利用亲水纤维膜开发了一种静态接触设备，反应器内装有一束束长而连续的小直径纤维，当油相和水相分别顺着纤维向下流动时，因表面张力和纤维的亲和性不同，水相会被纤维拉成一层极薄的膜，从而使小体积的水相扩展成大面积的液膜，此时油相从已被水相浸润的纤维流下，油相与液膜之间的摩擦力使液膜更薄，两相之间的接触是平面膜上接触，在接触过程中便进行传质。该工艺成功应用于直馏柴油和催化裂化柴油的碱洗过程，使柴油和碱从上往下流经纤维膜接触器内的金属纤维束直达碱洗罐的底部，在其间完成脱硫反应和传质过程，到达底部时油碱两相分离。该工艺只利用了纤维的亲水表面进行水相聚结，实际应用过程中，特别是原油脱水脱盐过程，很容易导致装置堵塞。

发明内容

本发明目的在于提供一种由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，使其在油水分离过程、破乳过程、萃取过程中具有良好的应用效果。

为达到上述目的，采用技术效果如下：

一种由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，包括以下步骤：

待分离油水混合液从板材A和板材B的间隙中流过，板材A和板材B的表面分别具有亲油疏水性和亲水疏油性；凭借板材A和板材B的表面力场差异性，对油水混合液中油相和水相产生不同的黏附力，收集通过的液体并静止实现油水分离。

按上述方案，板材A和板材B相间排列，间隔为1um～1000um。

按上述方案，板材A选用铜板，将其在NaOH和K₂S₂O₈溶液中浸泡后，表面生成一层均匀的针状氢氧化铜薄膜，再用正十二烷硫醇的乙醇溶液浸泡，得到超疏水和超亲油表面。

按上述方案，板材B选用不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，涂层固化后，将碳化硅粉末喷涂其表面，加热固化，形成碳化硅亲水疏油表面。

按上述方案，板材A选用铜板，将其在硝酸溶液刻，然后放在十六烷基硫醇浸泡，制成具有超疏水超亲油性的表面。

按上述方案，板材B选用ABS树脂，用聚乙烯吡咯烷酮溶液喷涂在其表面，形成亲水疏油表面。

按上述方案，板材A选用聚酯树脂，用化学气相沉积的方法在室温下和空气气氛中一步法在聚酯表面沉积一层有机硅纳米线，使其具有超疏水性和超亲油性。

按上述方案，板材B选用不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，涂层固化后，将纳米二氧化钛粉末喷涂其表面，加热固化，形成二氧化钛亲水疏油表面。

按上述方案，板材A选用不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，涂层固化后，将石墨粉喷涂其表面，加热固化，形成石墨粉疏水亲油表面。

按上述方案，板材B选用不锈钢，以聚乙二醇二丙烯酸酯和乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为成膜物质，掺杂亲水性纳米SiO₂溶胶构造粗糙结构及端烯基长链甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯构造分子刷结构，涂覆于不锈钢表面，采用UV固化法制备超亲水超疏油表面。

当在两个距离较近的固体表面之间存在一定量的能够润湿这两个固体表面的液体时，受液体与两种固体表面黏附力的作用，可以在三者之间形成一个相连的系统，该系统称为液桥。液桥主要有运输和连接两方面的功能特性。运输特性表现为液体的质量传递和热量对流。连接特性表现为液体对两固体表面的拉拽作用力，且在两固体表面之间形成连续的液膜。其根源都是因为液体的表面张力，液桥力表征的原因是液体弯曲表面的表面张力作用，其实质原因是液体与固体的黏附作用以及液体自身之间的内聚作用。当液体与可润湿固体接触时，液体与固体表面将产生黏附作用，与此同时，液体自身又存在内聚作用，这就使得液桥系统中液体对固体表面都有拉拽作用。研究表明，当固体亲水时，其黏附强度大于内聚强度。因此认为对于超亲水超疏油网膜，由于膜的潜在亲水性，使水能够在膜的毛细管孔道内产生黏附拉拽作用而形成液桥，同时基于液桥的传质作用使水源源不断传递。而由于水所形成的液膜对油起到了隔离传质的作用，从而使油无法接触到膜的表面，更无法渗透。因此，当水油乳液在两个距离较近的具有差异性的固体表面形成液桥，一个固体表面对水产生黏附作用，另一固体表面对油产生黏附作用，不同方向的拉拽作用即可对油水进行分离。

本发明将两个具有不同表面力场的材料相对排列，让待分离油水混合液在其中间通过，由于材料表面力场不同，对不油相和水相的亲和力不同，液体就会自动向具有亲和力的表面聚结，形成大液滴，从而达到液-液分离的效果。

本发明有益效果如下：

由固体表面力场差异性构建的液-液分离方法应用在化工领域的液-液分离过程如油水分离过程、破乳过程、萃取过程中具有良好的效果。

一般的液-液两相的分离过程实际上是分散相液滴在连续相中聚结和分离的过程，其聚结过程经过三个阶段：液滴捕集、液滴聚结和液滴沉降。本发明所的分离方法不仅包括分散相的聚结和分离过程，同时也包含连续相的聚结和分离过程，从而缩短分离时间，提高分离效果。

另外由于本发明所设计的分离装置不同固体表面间距很近，液-液混合物以薄膜的方式从中间通过，大大提高了分离面积，进一步增加了分离效果。

附图说明

图1：本发明板式固体表面力场差异性构建方法示意图。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

实施例1

基材A选用铜板，将其在NaOH和K₂S₂O₈溶液中浸泡后，在Cu表面生成一层均匀的针状的氢氧化铜薄膜，再用正十二烷硫醇的乙醇溶液浸泡，得到具有超疏水性和超亲油性的铜板。铜板与水的接触角为151°。

基材B选择不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，待溶剂挥发后，将碳化硅粉末喷涂其表面，加热固化，形成碳化硅亲水疏油表面涂层。

依据本专利的技术原理和方案，将表面改性后的基材A和B按照附图1相对排列，间距在1um～1000um之间，优选100um，让油水混合物在基材A和B之间通过，由于A和B表面对油水的表面力场差异性，产生不同的黏附力，收集通过的液体并静止实现油水分离。

实施例2

基材A选用铜板，将其用4mol/L的硝酸溶液刻蚀4min，然后放在浓度为1mmol/L的十六烷基硫醇浸泡1hr，就可以制成超疏水超亲油铜网，铜板与水的接触角保持在150°以上。

基材B选择不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，待溶剂挥发后，将二氧化硅粉末喷涂其表面，加热固化，形成二氧化硅亲水疏油表面涂层。

依据本专利的技术原理和方案，将表面改性后的基材A和B按照附图1相对排列，间距在1um～1000um之间，优选200um，让油水混合物在基材A和B之间通过，由于A和B表面对油水的表面力场差异性，产生不同的黏附力，即可实现油水分离。

实施例3

基材A选用不锈钢，通过热化学气相沉积的方法在不锈钢上沉积了一层竖直排列的碳纳米管，由于碳纳米管本身是疏水的，具有超疏水性。

基材B选择ABS树脂，用聚乙烯吡咯烷酮溶液喷涂在其表面，形成亲水疏油表面涂层。

依据本专利的技术原理和方案，将表面改性后的基材A和B按照附图1相对排列，间距在1um～1000um之间，优选500um，让油水混合物在基材A和B之间通过，由于A和B表面对油水的表面力场差异性，产生不同的黏附力，即可实现油水分离。

实施例4

基材A选用聚酯树脂，用化学气相沉积的方法在室温下和空气气氛中一步法在聚酯表面沉积一层有机硅纳米线，使其具有超疏水性和超亲油性。

基材B选择不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，待溶剂挥发后，将纳米二氧化钛粉末喷涂其表面，加热固化，形成二氧化钛亲水疏油表面涂层。

依据本专利的技术原理和方案，将表面改性后的基材A和B按照附图1相对排列，间距在1um～1000um之间，优选800um，让油水混合物在基材A和B之间通过，由于A和B表面对油水的表面力场差异性，产生不同的黏附力，即可实现油水分离。

实施例5

基材A选用不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，待溶剂挥发后，将石墨粉喷涂其表面，加热固化，形成石墨粉疏水亲油表面涂层。

基材B选择不锈钢，以聚乙二醇二丙烯酸酯和乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯等为主要成膜物质，掺杂亲水性纳米SiO₂溶胶构造粗糙结构及端烯基长链甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯构造分子刷结构，涂覆于基材表面，采用UV固化法制备超亲水超疏油表面，该表面在空气中对水和油的接触角均为0°，但在水下对油滴的接触角大于150°，具有对油滴低黏附的特性。

依据本专利的技术原理和方案，将表面改性后的基材A和B按照附图1相对排列，间距在1um～1000um之间，优选1000um，让油水混合物在基材A和B之间通过，由于A和B表面对油水的表面力场差异性，产生不同的黏附力，即可实现油水分离。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容做出的等同替换和重复叠加等显而易见的变化所得到的方案，如利用ABAB多级并联、或多层结构等，均应当包含在本发明专利的保护范围内。

Claims (10)

1.一种由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于包括以下步骤：

待分离油水混合液从板材A和板材B的间隙中流过，板材A和板材B的表面分别具有亲油疏水性和亲水疏油性；凭借板材A和板材B的表面力场差异性，对油水混合液中油相和水相产生不同的黏附力，收集通过的液体并静止实现油水分离。

2.如权利要求1所述由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于板材A和板材B相间排列，间隔为1um～1000um。

3.如权利要求1所述由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于板材A选用铜板，将其在NaOH和K₂S₂O₈溶液中浸泡后，表面生成一层均匀的针状氢氧化铜薄膜，再用正十二烷硫醇的乙醇溶液浸泡，得到超疏水和超亲油表面。

4.如权利要求1所述由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于板材B选用不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，涂层固化后，将碳化硅粉末喷涂其表面，加热固化，形成碳化硅亲水疏油表面。

5.如权利要求1所述由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于板材A选用铜板，将其在硝酸溶液刻，然后放在十六烷基硫醇浸泡，制成具有超疏水超亲油性的表面。

6.如权利要求1所述由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于板材B选用ABS树脂，用聚乙烯吡咯烷酮溶液喷涂在其表面，形成亲水疏油表面。

7.如权利要求1所述由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于板材A选用聚酯树脂，用化学气相沉积的方法在室温下和空气气氛中一步法在聚酯表面沉积一层有机硅纳米线，使其具有超疏水性和超亲油性。

8.如权利要求1所述由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于板材B选用不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，涂层固化后，将纳米二氧化钛粉末喷涂其表面，加热固化，形成二氧化钛亲水疏油表面。

9.如权利要求1所述由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于板材A选用不锈钢，用热固性树脂溶液涂其表面，涂层固化后，将石墨粉喷涂其表面，加热固化，形成石墨粉疏水亲油表面。

10.如权利要求1所述由板式固体表面力场差异性构建的液-液分离方法，其特征在于板材B选用不锈钢，以聚乙二醇二丙烯酸酯和乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯为成膜物质，掺杂亲水性纳米SiO₂溶胶构造粗糙结构及端烯基长链甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯构造分子刷结构，涂覆于不锈钢表面，采用UV固化法制备超亲水超疏油表面。