CN108503858B - 一种水凝胶、油水分离器及其制备方法、应用 - Google Patents
一种水凝胶、油水分离器及其制备方法、应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108503858B CN108503858B CN201810304539.4A CN201810304539A CN108503858B CN 108503858 B CN108503858 B CN 108503858B CN 201810304539 A CN201810304539 A CN 201810304539A CN 108503858 B CN108503858 B CN 108503858B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hydrogel
- oil
- carrier
- chitosan
- silica particles
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 title claims abstract description 122
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 71
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 15
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 claims abstract description 56
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical group O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 54
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 2-Propenoic acid Natural products OC(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical compound NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 26
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims abstract description 12
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 claims abstract description 8
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 23
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 21
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 19
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical group [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 14
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 11
- KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine Chemical group CN(C)CCN(C)C KWYHDKDOAIKMQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 8
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims description 8
- XDLMVUHYZWKMMD-UHFFFAOYSA-N 3-trimethoxysilylpropyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCOC(=O)C(C)=C XDLMVUHYZWKMMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 2
- 239000003607 modifier Substances 0.000 claims description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 4
- 235000019476 oil-water mixture Nutrition 0.000 abstract description 3
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000011368 organic material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000013329 compounding Methods 0.000 abstract 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 description 18
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 11
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 11
- 235000019198 oils Nutrition 0.000 description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 11
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 4
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000005580 one pot reaction Methods 0.000 description 3
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000010526 radical polymerization reaction Methods 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N (3-aminopropyl)triethoxysilane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCN WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229960000583 acetic acid Drugs 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000010779 crude oil Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 239000008157 edible vegetable oil Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010528 free radical solution polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012362 glacial acetic acid Substances 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910003471 inorganic composite material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000003305 oil spill Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000001612 separation test Methods 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
- C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
- C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
- C08J3/075—Macromolecular gels
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/40—Devices for separating or removing fatty or oily substances or similar floating material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
- C08J3/24—Crosslinking, e.g. vulcanising, of macromolecules
- C08J3/246—Intercrosslinking of at least two polymers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2333/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
- C08J2333/24—Homopolymers or copolymers of amides or imides
- C08J2333/26—Homopolymers or copolymers of acrylamide or methacrylamide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2405/00—Characterised by the use of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08J2401/00 or C08J2403/00
- C08J2405/08—Chitin; Chondroitin sulfate; Hyaluronic acid; Derivatives thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/34—Silicon-containing compounds
- C08K3/36—Silica
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
Abstract
一种水凝胶、油水分离器及其制备方法、应用，属于环保领域。水凝胶是一种有机和无机复合的双网络交联结构。其中，双网络交联结构为有机成分的有机聚合物，有机聚合物包括以交联的形式存在的丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物、壳聚糖，无机成分为二氧化硅颗粒且分散在双网络交联结构中且与共聚物化学键合。水凝胶具有良好的拉伸性能，且易于加工和优异的超疏油能力。基于此水凝胶的油水分离器，对于各种油水混合物的分离效率普遍达到99％以上。
Description
技术领域
本发明涉及环保领域，具体而言，涉及一种水凝胶、油水分离器及其制备方法、应用。
背景技术
当前，能源与环境问题仍是人类社会向前发展所面临的严峻问题。随着工业的发展，全球范围内不时增加工业含油废水，以及频繁的石油泄漏事故，环境和经济需求需要能够有效分离油和水的材料，世界各国科学工作者为此研发出各种解决方案，其中油水分离器的制备和使用是最为有效和便捷的方法之一。
具有3D网状结构的亲水性和水下超疏油性水凝胶涂层由粗糙纳米结构水凝胶涂层和微米级多孔金属基板构建。它可以选择性地和有效地(>99％)分开油/水混合物(例如食用油油，汽油，柴油)，甚至不需要任何额外能量来分离原油/水混合物。
在分离过程中，对油滴亲和力低的水下超疏油凝胶界面可以防止分离器被油污染，使油料回收容易。这种新颖的吸水型超疏油的材料与传统的疏水性和亲油性材料润湿性完全相反，从而克服了本质上易于被油污染和不易回收的限制。它是一个使用特殊的润湿性来设计下一代油/水分离材料的新尝试，这表明其在工业含油污水处理和漏油清理中的潜在应用。水凝胶是最典型的亲水材料之一，其由充满间隙空间的水交叉网络组成。由于其优异的吸水性和保水能力，水凝胶被认为是有希望设计新型除水剂的候选者油水分离材料。
目前，水凝胶涂层网格已有一些文献和专利报道了由亲水性水凝胶层和多孔基材的油水分离材料。如文献(Adv.Mater.2011，23,4270-4273；Adv.Funct.Mater.2015,25,5368–5375)报道了水凝胶涂与滤纸和不锈钢网作为油水分离器进行油水分离，但是存在着溶胀率高和破坏后不能修复等导致不能多次重复使用的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明提供了一种水凝胶、油水分离器及其制备方法、应用，以部分或全部地改善、甚至解决以上问题。
本发明是这样实现的：
在第一方面，本发明实施例的提供了一种水凝胶。
水凝胶是一种有机和无机复合的双网络交联结构，其中，双网络交联结构为有机成分的有机聚合物，有机聚合物包括以交联的形式存在的丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物、壳聚糖，无机成分为二氧化硅颗粒且分散在双网络交联结构中且与共聚物化学键合。
在第二方面，本发明的提供了一种上述水凝胶的制作方法。
制作方法包括：使分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒以及壳聚糖的分散液发生聚合反应。
在第三方面，本发明的提供了一种基于上述水凝胶的油水分离器。
油水分离器包括载体、结合在载体水凝胶，且载体为网状结构。
在第三方面，本发明的提供了一种油水分离器的制作方法。
制作方法包括在所述载体结合所述水凝胶。
有益效果：
本发明实施例提供的水凝胶具有两种聚合物网络，即丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物，以及壳聚糖。两种聚合物网络能够以交联(例如，氢键和离子键)的方式结合在一起，形成双网络结构。如此，所获得水凝胶具有优良的拉伸性能，自修复效果(自愈合效果明显)以及交底的溶胀比。例如，在一些用例中，水凝胶的拉伸应变在1000％～2000％，拉伸应力在50～60KPa，压缩应力在1.2～1.5MPa，9:1(AM:AA重量比)的溶胀比只有4.03(g/g)。
另外，水凝胶具有亲水结构和疏油结构，因此，水凝胶还是一种很有发展前景的油水分离材料。由于水凝胶的亲水、疏油特性，使得当通过将水凝胶结合在网状载体(如水凝胶涂覆在表面，或网状载体浸没在水凝胶中)时，可以获得一种好的油水分离器。这样的油水分离器具有寿命长，难破坏的优秀品质。在一些用例中，油水分离器的分离效率达到99％以上，例如99.71％。总体而言，这样的油水分离器成本低廉，应用广泛，性能优异，稳定性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例2中所制备的不同单体比例的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶的拉伸应力应变图；
图2为本发明实施例3中所制备的不同单体比例的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶的压缩应力应变图；
图3为图2中所制备的单体比例为10:0的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶的压缩应力应变图；
图4为图2中所制备的不同单体比例为9:1的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶的压缩应力应变图；
图5为图2中所制备的不同单体比例为8:2的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶的压缩应力应变图；
图6为图2中所制备的不同单体比例为7:3的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶的压缩应力应变图；
图7为图2中所制备的不同单体比例为6:4的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶的压缩应力应变图；
图8为本发明实施例4所制备的不同单体比例的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶水下超疏油性能的分析图；
图9为本发明实施例5所制备的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶的SEM图；
图10为本发明实施例1所制备的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2/油水分离器分离效率的分析图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下针对本发明实施例的水凝胶、油水分离器及其制备方法进行具体说明：
为了克服现有一些水凝胶的溶胀率高和破坏后不能修复以及可被改进更多的缺陷，在本发明中，发明人提出了一种水凝胶。其拉伸性能优异，且具有好的自修复性能和低的溶胀比。
本实施例中，水凝胶是一种双网络结构，并且还是一种有机和无机复合的材料。实际上，前述的水凝胶是一种半互穿双网络有机无机复合的水凝胶。其可以采用简易的一锅法技术得到的混合液，再在常温热和/或光照下引发聚合而被制造。其制作工艺简单，原料易得，成本低，适合于工业化生产。
大体上而言，水凝胶采用水溶液聚合的方法，以丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、壳聚糖(CS)以及可选的双键改性的二氧化硅(MPS-SiO2)纳米粒子以水为溶剂混合，在可选的引发剂过硫酸铵(APS)和催化剂四甲基乙二胺(TEMED)的条件下室温引发聚合合成具有水下超疏油性能的半互穿网络水凝胶。
在水凝胶中，MPS-SiO2纳米粒子被均匀分散到共聚物网络P(AM-co-AA)和壳聚糖(CS)组成的半互穿双网络水凝胶中并参与AM、AA的自由基聚合反应，增加了凝胶表面粗糙度，使原本亲水的水凝胶更进一步达到良好水下超疏油的效果。
通过采用原位法热催化聚合制备水凝胶，这样的制作过程简单，易于控制。由于该水凝胶是物理、化学混合交联，与其他传统水凝胶相比具有良好的拉伸性能，并且易于加工，具有优秀的超疏油能力。将其涂覆到不锈钢网上可制备成相比其他油水分离材料，使用寿命更长、生产成本更低、效率更高、操作更简便的油水分离器，对于各种油水混合物的分离效率普遍达到99％以上。
以下对水凝胶的成分和制作方法进行说明。
水凝胶的原料中主要包括丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、壳聚糖(CS)以及二氧化硅(SiO2)。其中，二氧化硅可以优选是被改性了的，例如表面修饰。更优选地，二氧化硅是双键改性的二氧化硅(MPS-SiO2)，其中MPS为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
在一种可选的示例中，水凝胶是以丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、壳聚糖(CS)以及双键改性的二氧化硅(MPS-SiO2)纳米粒子以水为媒介混合，在引发剂过硫酸铵(APS)和催化剂四甲基乙二胺(TEMED)的条件下室温或太阳光照射下(优选照射24小时)引发聚合合成。其中的引发剂可以优选通过热引发，例如以太阳光作为热源。
在上述的水凝胶中，MPS-SiO2纳米粒子被均匀分散到共聚物网络P(AM-co-AA)和壳聚糖(CS)组成的半互穿双网络水凝胶中并参与AM、AA的自由基聚合反应，从而增加了凝胶表面粗糙度，使原本亲水疏油的水凝胶达到良好水下超疏油的效果。其制作方法采用原位法热催化聚合，整个制作过程简单，易于控制。另外，由于该水凝胶是物理、化学混合交联，与其他传统水凝胶相比具有良好的拉伸性能，并且更易加工，更优秀的超疏油能力。
本发明实施例中提出的水凝胶是一种有机和无机复合的双网络交联结构，其中，双网络交联结构为有机成分的有机聚合物。有机聚合物包括以交联的形式存在的丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物、壳聚糖。其中，无机成分为二氧化硅颗粒且分散在双网络交联结构中且与共聚物化学键合。
作为一种优选的方案，二氧化硅颗粒的粒径被特别地选择，例如，其粒径是纳米尺度的，即二氧化硅颗粒是纳米粒子。另外，为了改善二氧化硅的反应活性，可以选择对其进行改性。通常地，二氧化硅的改性可以是对其进行表面修饰形成的有机硅，使其至少在表面形成具有反应活性的基团或材料。例如，有机硅由二氧化硅以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷为表面修饰剂改性而得。
对于以上提出的水凝胶，在本实施例中，水凝胶的制作方法如下。制作方法包括：使分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒以及壳聚糖的分散液发生聚合反应。其中，分散液可以是采用简单的一锅法而获得，然后使其中具有反应活性的组分之间发生反应。在本实施例中，具有反应活性的组分之间发生了聚合反应，如聚合形成P(AM-co-AA)，并且P(AM-co-AA)还与壳聚糖(CS)相互之间以氢键和离子键两种纯物理作用交联。另一方面，被修饰的二氧化硅粒子，如MPS-SiO2纳米粒子可以与P(AM-co-AA)发生交联形成共聚物网络，并且同时与壳聚糖(CS)网络通过离子键交联。MPS-SiO2纳米粒子同时与P(AM-co-AA)和CS交联，可以起到桥接、联系的作用，形成一种半互穿水凝胶。这样的化学键合与非共价键混合交联的方法，提高了水凝胶的拉伸应变，并赋予了它自愈合的性能，大大降低了水凝胶的溶胀比，并且在被制作为油水分离材料时能够获得被提高的性能和寿命。
如前述，分散液的聚合反应可以是通过发明人已知的多种方式，或者根据其具有反应活性基团的特性选择本领域公知的方式来使其发生反应。
在本实施例中，发明人使用了一种温和的反应条件，使其可以在不苛刻的反应条件下实现聚合，从而大大降低了反应复杂性和操作难度，有利于批量化生产。
作为一种可选的替代方案，聚合反应是在催化剂存在的条件下通过催化进行的，所述催化剂为四甲基乙二胺。
如前述的内容，分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒以及壳聚糖的分散液可以是通过一锅法而被制作。根据聚合反应的方式的不同，在一些可选的具体示例中，分散液能够以与之相应的方式被制作。
例如，在一些示例中，分散液通过以下方式制备：提供在溶剂中分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒的第一混合物；使壳聚糖分散于所述第一混合物中，以获得第二混合物。聚合反应时，将去除了氧气的所述第二混合物与过硫酸铵、四甲基乙二胺混合，并在无氧条件的室温或太阳光照射下反应。
在另一些可选示例中，分散液通过以下方式制备：提供在溶剂中分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒的第三混合物；使壳聚糖、冰乙酸分散于所述第三混合物中，以获得第四混合物。聚合反应时，将去除了氧气的所述第二混合物与3-氨基丙基三乙氧基硅烷、四甲基乙二胺混合，并无氧条件、室温或光照下反应。
更进一步，基于以上提及的水凝胶所具有的亲水、疏油特性，其可以被用于在各种需要进行油水分离或油水隔离的场景下，例如含油污水处理、物质纯化。在一些用例中，水凝胶可以被制作为选择性渗透膜、半透膜等。在本实施例中，水凝胶被用来制作了油水分离器。
油水分离器包括载体、结合在载体的水凝胶。其中，载体为网状结构。根据使用场景的不同，载体可以有多种材质的选择，例如载体为金属网，优选地，金属网是不锈钢或铜材质的。更优选的，载体的网孔为100-200μm，优选为110～190μm，更优选为130～170μm，进一步优选为150-160μm。虽然，前述之载体均为金属材质，但是，可以预见在本发明其他的一些示例中，载体还可以其他材质，例如其他合金、硬质塑料。
针对以上的油水分离器，在本实施例中，还提出了一种制作油水分离器的方法。油水分离器的制作方法包括在载体结合水凝胶。其可以通过使形成水凝胶的原料以各种适当的方式分布在载体，再使原料之间以及可选的使原料与载体之间发生反应，从而使水凝胶在载体上形成。如此，水凝胶被结合在载体，两者形成一体。
在载体结合水凝胶的方法包括：
将载体浸没在分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒以及壳聚糖的分散液中，使分散液发生聚合反应形成水凝胶；
或者，将分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒以及壳聚糖的分散液涂覆在载体的表面，使分散液发生聚合反应形成水凝胶。
其中，分散液的制作方法可参见上述水凝胶的制作方法部分的详细阐述，在此不再赘述。
制作油水分离器的一些具体的可选示例如下。
第一示例。
一种油水分离器，其制作方法如下。
(1)将丙烯酰胺，丙烯酸，MPS(甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)改性二氧化硅纳米粒子和去离子水混合搅拌均匀后加入到50ml的圆底烧瓶中，超声并搅拌使其充分混合，得到透明无明显颗粒的均匀分散液体A。其中，丙烯酰胺为2～10g，丙烯酸为1～5g，二氧化硅纳米粒子为0.5％～5wt％，去离子水的质量为10～50g。
(2)然后再向上述步骤(1)所制溶液A中加入壳聚糖，超声搅拌直到壳聚糖完全溶于混合液中，得到粘稠的液体B。壳聚糖为0.1～1g。
(3)向上述步骤(2)的溶液B中通入氮气并搅拌半个小时，排除空气完毕后加入10～30mg的APS(过硫酸铵)和催化剂TEMED(四甲基乙二胺)得到混合液C。
(4)截取合理大小的不锈钢网浸于混合液C中，使其上面均匀粘附液体，后将不锈钢网拿出置于密封透明塑料袋中于室温下反应一天，即可得到半互穿水凝胶复合不锈钢网的油水分离器。不锈钢网孔径为100～200微米。
以下结合实施例对本发明的水凝胶、油水分离器及其制备方法进一步的详细描述。
实施例1：不同比例AA，AM的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2/半互穿水凝胶和简易油水分离器的制备。
称取不同比例的丙烯酰胺，丙烯酸，溶解到一定体积的去离子水中后加入到50ml的圆底烧瓶中，再加入一定量的双键改性的二氧化硅纳米粒子于超声条件下充分分散，得到透明的混合液A(是一种悬浮液)。
再量取一定量的壳聚糖加入其中，并在调节其pH为酸性后超声搅拌，使壳聚糖全部溶解得到粘稠的混合液B。
再在磁力搅拌下通氮气后，加入引发剂(一种热引发剂如过硫酸铵)和催化剂得到混合液C。
将该混合液C密封在透明模具中置于太阳光下一天，即可得到五种AA，AM不同比例的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿水凝胶，其结构如图9所示。
截取一张正方形不锈钢网浸入到上述混合液C中，持续1小时，使上面均匀布满溶液，后将该铜网密封于透明薄膜中置于室温下反应一天，可得到半互穿水凝胶复合不锈钢网(油水分离器)。
实施例2：本实施例为考察本发明制备的多种水凝胶机械性能，本发明人将水凝胶制备为测试样条用于拉伸应力应变的测试，测试过程如下：
通过对实施例1所得不同比例AM和AA的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶。将所获得的水凝胶制备为直径10mm，高20mm的样条各5个在室温下以30mm/min的拉伸速率，用拉力机来测定所制备水凝胶的拉伸应力应变。结果如图1所示。可见AM:AA为9:1时的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶具有最优越的拉伸性能。
实施例3：为考察本发明制备的多种水凝胶机械性能，本发明人将水凝胶制备为测试样条用于压缩应力应变的测试，测试过程如下：
将由实施例1中获得的水凝胶制备为直径10mm，高10mm的样条各5个在室温下以5mm/min的拉伸速率，用万能拉力机来测定所制备水凝胶的压缩应力应变。通过对实施例1所得不同比例AM和AA的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶进行拉伸应力应变测试，结果如图2至图7所示。可见AM:AA为9:1时的P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2半互穿复合水凝胶具有最优越的压缩性能。
实施例4：不同水凝胶的接触角测试实验。
为考察本发明制备的多种水凝胶超疏油性能，本发明人将制备的水凝胶用于接触角大小的测试，测试过程如下：
截取平整的水凝胶作为样品，不同样各五个，在室温下用接触角测试仪测试所制备的水凝胶的水下油滴接触角的大小。通过对实施例1所得不同含量的双网水凝胶进行接触角测试，结果如图8所示。可见当单体重量比(AM:AA)为9:1或8:2时，其接触角的最大，水下超疏油性能最好。
实施例5：不同水凝胶的油水分离效率测试。
为考察本发明制备的多种水凝胶复合铜网所制备的油水分离器油水分离的效率，本发明人将制备的油水分离器用于油水分离的测试，测试过程如下:
通过对实施例1所获得的最佳复合铜网，置于烧杯和布氏漏斗中间，将油水混合物从上方倾倒漏斗中，观察到未有水滴流下后，取出部分下方的水用红外测油仪测出其中油的含量，计算该油水分离器的分离效率，结果如图10所示。可见P(AM-co-AA)/CS/MPS-SiO2双网络复合水凝胶所制备的分离器具有优越的分离效率。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
Claims (17)
1.一种水凝胶在油水分离中的应用，其特征在于，所述水凝胶是一种有机和无机复合的双网络交联结构，其中，所述双网络交联结构为有机成分的有机聚合物，所述有机聚合物包括以交联的形式存在的丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物、壳聚糖，无机成分为二氧化硅颗粒且分散在所述双网络交联结构中且与所述共聚物化学键合。
2.根据权利要求1所述的水凝胶在油水分离中的应用，其特征在于，所述二氧化硅颗粒为纳米粒子。
3.根据权利要求1所述的水凝胶在油水分离中的应用，其特征在于，所述二氧化硅颗粒是经过了表面修饰形成的有机硅。
4.根据权利要求3所述的水凝胶在油水分离中的应用，其特征在于，所述有机硅由二氧化硅以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷为表面修饰剂改性而得。
5.一种如权利要求1至4中任意一项所述的水凝胶在油水分离中的应用，其特征在于，所述水凝胶的制作方法包括：使分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒以及壳聚糖的分散液发生聚合反应。
6.根据权利要求5所述的水凝胶在油水分离中的应用，其特征在于，所述分散液通过以下方式制备：提供在溶剂中分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒的第一混合物；使壳聚糖分散于所述第一混合物中，以获得第二混合物。
7.根据权利要求5所述的水凝胶在油水分离中的应用，其特征在于，所述聚合反应是在引发剂存在的条件下进行的。
8.根据权利要求6所述的水凝胶在油水分离中的应用，其特征在于，所述聚合反应是在引发剂和催化剂同时存在的条件下通过催化进行的。
9.根据权利要求8所述的水凝胶在油水分离中的应用，其特征在于，所述催化剂为四甲基乙二胺，所述引发剂为过硫酸铵，且所述聚合反应包括：将去除了氧气的所述第二混合物与所述引发剂、所述催化剂混合，并在无氧条件室温或光照下反应。
10.一种油水分离器，其特征在于，包括载体、结合在所述载体的如权利要求1至4中任意一项所述的水凝胶，所述载体为网状结构。
11.根据权利要求10所述的油水分离器，其特征在于，所述载体为金属网。
12.根据权利要求11所述的油水分离器，其特征在于，所述金属网是不锈钢或铜材质的。
13.根据权利要求11所述的油水分离器，其特征在于，所述载体的网孔为100-200μm。
14.根据权利要求11所述的油水分离器，其特征在于，所述载体的网孔为140-180μm。
15.一种如根据权利要求11至14中的任意一项所述的油水分离器的制作方法，其特征在于，包括在所述载体结合所述水凝胶。
16.根据权利要求15所述的油水分离器的制作方法，其特征在于，在所述载体结合所述水凝胶的方法包括：
将所述载体浸没在分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒以及壳聚糖的分散液中，使所述分散液发生聚合反应形成所述水凝胶；
或者，将分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒以及壳聚糖的分散液涂覆在所述载体的表面，使所述分散液发生聚合反应形成所述水凝胶。
17.根据权利要求16所述的油水分离器的制作方法，其特征在于，所述分散液通过以下方式制备：
提供在溶剂中分散有丙烯酰胺、丙烯酸、二氧化硅颗粒的第一混合物；
使壳聚糖分散于所述第一混合物中，以获得第二混合物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810304539.4A CN108503858B (zh) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | 一种水凝胶、油水分离器及其制备方法、应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810304539.4A CN108503858B (zh) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | 一种水凝胶、油水分离器及其制备方法、应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108503858A CN108503858A (zh) | 2018-09-07 |
| CN108503858B true CN108503858B (zh) | 2020-11-20 |
Family
ID=63380599
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810304539.4A Active CN108503858B (zh) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | 一种水凝胶、油水分离器及其制备方法、应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108503858B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109585931B (zh) * | 2018-11-27 | 2021-04-27 | 吉林大学 | 一种宽工作电压、柔性自修复的盐中水凝胶电解质及其制备方法 |
| CN110183590B (zh) * | 2019-04-26 | 2020-07-17 | 厦门大学 | 一种油水乳液分离凝胶及其制备方法和应用 |
| CN110026136A (zh) * | 2019-05-17 | 2019-07-19 | 湖北大学 | 水下超疏油抗冻有机水凝胶及其制备方法、应用、涂层、油水分离网及其制备方法 |
| CN110054323B (zh) * | 2019-05-29 | 2021-11-09 | 江西科技师范大学 | 一种用于处理污水中有机油膜污染物的凝胶材料及其应用方法 |
| CN111995028B (zh) * | 2020-07-07 | 2023-01-06 | 广西夏阳环保科技有限公司 | 一种印染废水复合处理药剂及其制备方法 |
| CN113842675B (zh) * | 2021-09-26 | 2024-03-15 | 常州大学 | 水下超疏油不锈钢油水分离网及其制备方法和应用 |
| EP4261342A1 (en) * | 2022-04-15 | 2023-10-18 | Spora SPA | Mycotextiles including activated scaffolds and nano-particle cross-linkers and methods of making them |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107011609A (zh) * | 2016-01-27 | 2017-08-04 | 中国科学院化学研究所 | 一种具有自恢复能力的高强化学-物理双网络水凝胶及其制备方法与应用 |
| CN107080976A (zh) * | 2017-06-15 | 2017-08-22 | 河北工业大学 | 一种具有水下超疏油性质的油水分离网膜的制备方法 |
| CN107652441A (zh) * | 2017-09-26 | 2018-02-02 | 中国石油大学(华东) | 一种SiO2增强型聚合物微球制备方法 |
-
2018
- 2018-04-02 CN CN201810304539.4A patent/CN108503858B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107011609A (zh) * | 2016-01-27 | 2017-08-04 | 中国科学院化学研究所 | 一种具有自恢复能力的高强化学-物理双网络水凝胶及其制备方法与应用 |
| CN107080976A (zh) * | 2017-06-15 | 2017-08-22 | 河北工业大学 | 一种具有水下超疏油性质的油水分离网膜的制备方法 |
| CN107652441A (zh) * | 2017-09-26 | 2018-02-02 | 中国石油大学(华东) | 一种SiO2增强型聚合物微球制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "Robust and underwater superoleophobic coating with excellent corrosion and biofouling resistance in harsh environments";Mingji Su et al.;《Applied Surface Science》;20171127;第436卷;第152-161页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108503858A (zh) | 2018-09-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108503858B (zh) | 一种水凝胶、油水分离器及其制备方法、应用 | |
| Wang et al. | Ultrasonic-assisted fabrication of montmorillonite-lignin hybrid hydrogel: Highly efficient swelling behaviors and super-sorbent for dye removal from wastewater | |
| Dai et al. | Synthesis and response of pineapple peel carboxymethyl cellulose-g-poly (acrylic acid-co-acrylamide)/graphene oxide hydrogels | |
| CN108164643B (zh) | 双网络复合水凝胶及其制备方法以及油水分离器 | |
| Wu et al. | Tough porous nanocomposite hydrogel for water treatment | |
| Zhou et al. | Preparation and characterization of nano-TiO2/chitosan/poly (N-isopropylacrylamide) composite hydrogel and its application for removal of ionic dyes | |
| CN109174023B (zh) | 一种纳米纤维素交联石墨烯/壳聚糖气凝胶及其制备方法、应用 | |
| Xu et al. | Stimuli-responsive molecularly imprinted polymers: versatile functional materials | |
| JP4759165B2 (ja) | 有機・無機複合ヒドロゲル及びその製造方法 | |
| Li et al. | Rapid adsorption for oil using superhydrophobic and superoleophilic polyurethane sponge | |
| Haleem et al. | A systematic review on new advancement and assessment of emerging polymeric cryogels for environmental sustainability and energy production | |
| Xiao et al. | Monodispersed thermoresponsive hydrogel microspheres with a volume phase transition driven by hydrogen bonding | |
| Ren et al. | Quaternized xylan/cellulose nanocrystal reinforced magnetic hydrogels with high strength | |
| Yue et al. | Construction of mechanically robust and recyclable photocatalytic hydrogel based on nanocellulose-supported CdS/MoS2/Montmorillonite hybrid for antibiotic degradation | |
| CN112210088B (zh) | 一种导电水凝胶及其制备方法和应用 | |
| JP2002053762A (ja) | 有機・無機複合ヒドロゲル及びその製造方法 | |
| Ma et al. | Surface functionalization via synergistic grafting of surface-modified silica nanoparticles and layered double hydroxide nanosheets for fabrication of superhydrophilic but relatively oleophobic antifouling membranes | |
| Wang et al. | In-situ formed Cyclodextrin-functionalized graphene oxide/poly (N-isopropylacrylamide) nanocomposite hydrogel as an recovery adsorbent for phenol and microfluidic valve | |
| CN108355379B (zh) | 一种co2响应智能亲疏水转换铜网的制备方法 | |
| Fan et al. | Highly compressible and hydrophobic nanofibrillated cellulose aerogels for cyclic oil/water separation | |
| Cheng et al. | Hydrothermal synthesis of nanocellulose-based fluorescent hydrogel for mercury ion detection | |
| CN114031879B (zh) | 一种可用于海洋防污的水凝胶及其制备方法 | |
| Jiang et al. | Multifunctional cellulose paper-based materials and their application in complex wastewater treatment | |
| CN109772183B (zh) | 一种阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的制备方法及其应用 | |
| CN110935199A (zh) | 一种具有互穿网络pH响应性的有机硅泡沫 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240511 Address after: No. 799, Weiyang fifth road, Gaoling District, Xi'an City, Shaanxi Province, 710200 Patentee after: SHAANXI AEROSPACE DELIN SCIENCE AND TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD. Country or region after: China Patentee after: SHAANXI SPACE PUMP & VALVE SCIENCE AND TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 430000 No.368 Youyi Avenue, Wuchang District, Wuhan City, Hubei Province Patentee before: Hubei University Country or region before: China |