CN108579467A - 基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜及制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

一种基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜及制备方法和用途，本发明属于功能材料技术领域，本发明受蝴蝶翅膀防油污特性的启发，将微纳结构的形性协同机制应用于油水分离膜材料的制备过程中，以不锈钢网作为可支撑多孔基底，采用金属化学沉积及饱和脂肪酸交联修饰方法，得到了一种具有多尺度分级树状结构的纳米颗粒包覆的铜基多孔油水分离膜。本发明提供了一种成本低廉且操作简单的含油废水的分离方法。本发明所制备的仿生油水分离膜，其油水混合物通量更高，防油污性能更强，可重复使用，应用范围广。可用于工业含油废水的处理和海上泄露原油的回收。

Description

基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜及制备方法和 用途

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，特别涉及具有高通量、防油污特性的油水分离膜的制备方法及用途。所制备仿生油水分离膜成本低廉，稳定性高，可重复使用，具备一定的大规模工业应用前景。

背景技术

近些年来，海上石油泄漏事故的频发以及工厂中含油污水的肆意排放，不仅造成了石化资源的巨大浪费，而且还给环境带来了巨大的不可挽回的危害。现有的油水分离膜材料各有所长，在控制制备成本、提高油水分离效率方面，取得了长足的进步。然而在同一材料同时实现油水混合物的高通量分离和防止油品造成的二次污染方面，仍然是该领域面对的一个重大挑战。新型高效油水分离膜材料和相关技术的开发已成为现代社会中亟待解决的重大问题之一。

本发明选取生活在马来西亚热带雨林中的红颈鸟翼凤蝶作为研究对象，通过研究发现，在蝴蝶翅膀表面的多尺度分级结构和多孔翅膜的协同作用下，蝴蝶翅膀能够有效的将油水混合物进行分离，此外，由于蝴蝶表面微纳结构及相关化学组分的存在，蝴蝶翅膀不会被油品二次污染，避免多孔翅膜被油品堵塞，进而影响油水分离的效率。将蝴蝶翅膀防油污机理应用于膜材料表面结构的构筑及相关化学修饰中，可以制备出具有防油污特性的高效油水分离膜材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜，能够在保证高效油水分离的同时，防止油污的二次污染。

本发明的另一目的在于提供一种基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜的制备方法。

本发明的再一目的在于提供一种基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜的用途。

本发明受蝴蝶翅膀防油污特性的启发，将微纳结构的形性协同机制应用于油水分离膜材料的制备过程中，以不锈钢网作为可支撑多孔基底，采用金属化学沉积及饱和脂肪酸交联修饰方法，得到了一种具有多尺度分级树状结构的纳米颗粒包覆的铜基多孔油水分离膜。

所述的不锈钢网钢丝直径优选为60～65μm。所述的不锈钢网网孔孔径为130～150μm。所述的不锈钢网对水的静态接触角为38°，对油品的静态接触角接近0°。

本发明的一种基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜的制备方法，包括以下步骤：

1)、将边长为10cm的正方形不锈钢网浸没到浓度为1.5摩尔每升的氯化铜水溶液中，保持15秒钟，取出后用去离子水冲洗2～3分钟。

2)、将处理过的正方形不锈钢网置于干燥器中，温度设置为70℃，保持30分钟。

3)、将经过烘干处理的正方形不锈钢网浸没到浓度为0.1摩尔每升的硬脂酸或月桂酸溶液中，保持2～2.5小时，取出后用无水乙醇冲洗2～3分钟。

4)、将经饱和脂肪酸处理过的正方形不锈钢网置于鼓风干燥箱中，温度设置为100℃，保持1～1.5小时，得到仿生油水分离膜。

步骤1)中的氯化铜溶液处理后的正方形不锈钢网，钢丝线表面会生成多尺度分级树状结构，同时覆盖有一层铜基纳米球，并且纳米球表面具有波浪形次级结构。

步骤2)中的干燥器选为鼓风干燥箱。

步骤3)中的乙醇的体积浓度为75％。

步骤4)中得到的得到仿生油水分离膜，其水的静态接触角大于152°，对于油品的静态接触角接近0°。

本发明是基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜可用于含油废水分离的用途。

本发明所述的含油废水包括具有第一表面能的水以及具有第二表面能的油品。所述油品包括三氯甲烷，正己烷，甲苯。

本发明所制备的仿生油水分离膜对于含油废水中的不同组分在空气中呈现出不同的静态接触角。将水定义为具有第一表面能的液体。对于具有第二表面能的油品，其静态接触角应接近0°。

本发明的有益效果：

1.本发明以多孔不锈钢网作基底，借助化学沉积技术及饱和脂肪酸交联技术，制备出仿生油水分离膜材料，提供了一种成本低廉且操作简单的含油废水的分离方法。

2.本发明所制备的仿生油水分离膜，其油水混合物通量更高，防油污性能更强，可重复使用，应用范围广。可用于工业含油废水的处理和海上泄露原油的回收等。

附图说明

图1是本发明实施例1使用的不锈钢网膜的表面形貌扫描电镜照片。

图2是本发明实施例1中制备的仿生油水分离膜的表面形貌扫描电镜和激光共聚焦照片。

图3是本发明实施例1在空气中测量去离子水在仿生油水分离膜表面的浸润行为照片。

图4是本发明实施例1制备的仿生油水分离膜用于分离水和三氯甲烷的实验装置与实验效果照片。法兰夹具中夹有仿生油水分离膜。

附图中蓝色液体为使用亚甲基蓝染色的去离子水，橙红色液体为使用苏丹Ⅲ染色的三氯甲烷。

图5是本发明实施例1制备的仿生油水分离膜的防油污特性测试效果照片。

具体实施方式

实施例1：

1)、取边长为10cm的正方形不锈钢网(不锈钢网的结构如图1所示)，置于250mL烧杯中。向烧杯中加入丙酮，利用超声波清洗器超声振荡5分钟。取出处理后的正方形不锈钢网置于另一洁净的250mL烧杯中，加入体积浓度为75％的乙醇，利用超声波清洗器超声振荡5分钟。取出处理后的正方形不锈钢网置于另一洁净的250mL烧杯中，加入适量去离子水，利用超声波清洗器超声振荡5分钟。

2)、取51.15克氯化铜(分子量为170.48)、8mL浓盐酸置于250mL烧杯中，再加入去离子水，定容至200mL，使用磁力搅拌器搅拌20分钟，形成深绿色均一透明溶液。

3)、将处理好的正方形不锈钢网浸没在氯化铜水溶液中，保持15秒钟，取出，用去离子水冲洗3分钟。将得到的正方形不锈钢网置于真空干燥箱中，温度设置为75℃，保持30分钟后取出备用。

4)、取5.7克硬脂酸置于250mL烧杯中，加入体积浓度为75％的乙醇定容至200mL。将得到的正方形不锈钢网浸没在硬脂酸的乙醇溶液中。在室温条件下，保持1小时。取出正方形不锈钢网，置于鼓风干燥箱中，温度设置为70℃，保持30分钟后取出，得到仿生油水分离膜，其表面结构如图2所示，表面静态接触角如图3所示。

5)、油水分离装置如图5所示，通过法兰将外径为24mm，内径为20mm的进液玻璃管和出液玻璃管连接，将所制备的仿生油水分离膜材料剪成直径为4cm的圆形，固定在法兰中。将上述所得器件置于铁架台上。

6)、取25mL去离子水置于50mL烧杯中，加入1.2克亚甲基蓝对去离子水进行染色，该染色剂不会影响去离子水的理化性质。取25mL三氯甲烷置于50mL烧杯中，加入1克苏丹Ⅲ对三氯甲烷进行染色，该染色剂不会影响三氯甲烷的理化性质。将上述两种经过染色的液体置于250mL烧杯中，得到经染色剂染色的测试液体。

7)、利用图4所示装置进行油水分离实验。将上述经染色剂染色的测试液体注入进液玻璃管。由于三氯甲烷具有较低的表面能，所以能够快速的穿过仿生油水分离膜，通过出液玻璃管，流入下置的250mL烧杯中。由于水具有较高的表面能，所以被仿生油水分离膜截留在网膜上方。由此，达到了油水分离的目的。经红外测油仪测得分离效率为93.991％。同时测试了仿生油水分离膜的抗油污特性，如图5所示。

实施例2：

1)、取边长为10cm的正方形不锈钢网，置于250mL烧杯中。向烧杯中加入适量丙酮，利用超声波清洗器超声振荡5分钟。取出处理后的正方形不锈钢网置于另一洁净的250mL烧杯中，加入适量体积浓度为75％的乙醇，利用超声波清洗器超声振荡5分钟。取出处理后的正方形不锈钢网置于另一洁净的250mL烧杯中，加入适量去离子水，利用超声波清洗器超声振荡5分钟。

2)、取51.15克氯化铜(分子量为170.48)、8mL浓盐酸置于250mL烧杯中，再加入适量的去离子水，定容至200mL，使用磁力搅拌器搅拌20分钟，形成深绿色均一透明溶液。

3)、将处理好的正方形不锈钢网浸没在氯化铜水溶液中，保持15秒钟，取出，用去离子水冲洗3分钟。将得到的正方形不锈钢网置于真空干燥箱中，温度设置为75℃，保持30分钟后取出备用。

4)、取5.7克硬脂酸置于250mL烧杯中，加入适量体积浓度为75％的乙醇定容至200mL。将得到的正方形不锈钢网浸没在硬脂酸的乙醇溶液中。在室温条件下，保持1小时。取出正方形不锈钢网，置于鼓风干燥箱中，温度设置为70℃，保持30分钟后取出，得到仿生油水分离膜。

5)、油水分离装置如图5所示，通过法兰将外径为24mm，内径为20mm的进液玻璃管和出液玻璃管连接，将所制备的仿生油水分离膜材料剪成直径为4cm的圆形，固定在法兰中。将上述所得器件置于铁架台上。

6)、取25mL去离子水置于50mL烧杯中，加入1.2克亚甲基蓝对去离子水进行染色，该染色剂不会影响去离子水的理化性质。取25mL正己烷置于50mL烧杯中，加入1克苏丹Ⅲ对正己烷进行染色，该染色剂不会影响正己烷的理化性质。将上述两种经过染色的液体置于250mL烧杯中，得到经染色剂染色的测试液体。

7)、利用图4所示装置进行油水分离实验。将上述经染色剂染色的测试液体注入进液玻璃管。由于正己烷具有较低的表面能，所以能够快速的穿过仿生油水分离膜，通过出液玻璃管，流入下置的250mL烧杯中。由于水具有较高的表面能，所以被仿生油水分离膜截留在网膜上方。由此，达到了油水分离的目的。经红外测油仪测得分离效率为97.983％。

实施例3：

1)、取边长为10cm的正方形不锈钢网，置于250mL烧杯中。向烧杯中加入适量丙酮，利用超声波清洗器超声振荡5分钟。取出处理后的正方形不锈钢网置于另一洁净的250mL烧杯中，加入适量体积浓度为75％的乙醇，利用超声波清洗器超声振荡5分钟。取出处理后的正方形不锈钢网置于另一洁净的250mL烧杯中，加入适量去离子水，利用超声波清洗器超声振荡5分钟。

2)、取51.15克氯化铜(分子量为170.48)、8mL浓盐酸置于250mL烧杯中，再加入适量的去离子水，定容至200mL，使用磁力搅拌器搅拌20分钟，形成深绿色均一透明溶液。

3)、将处理好的正方形不锈钢网浸没在氯化铜水溶液中，保持15秒钟，取出，用去离子水冲洗3分钟。将得到的正方形不锈钢网置于真空干燥箱中，温度设置为75℃，保持30分钟后取出备用。

4)、取5.7克硬脂酸置于250mL烧杯中，加入适量体积浓度为75％的乙醇定容至200mL。将得到的正方形不锈钢网浸没在硬脂酸的乙醇溶液中。在室温条件下，保持1小时。取出正方形不锈钢网，置于鼓风干燥箱中，温度设置为70℃，保持30分钟后取出，得到仿生油水分离膜。

5)、油水分离装置如图5所示，通过法兰将外径为24mm，内径为20mm的进液玻璃管和出液玻璃管连接，将所制备的仿生油水分离膜材料剪成直径为4cm的圆形，固定在法兰中。将上述所得器件置于铁架台上。

6)、取25mL去离子水置于50mL烧杯中，加入1.2克亚甲基蓝对去离子水进行染色，该染色剂不会影响去离子水的理化性质。取25mL甲苯置于50mL烧杯中，加入1克苏丹Ⅲ对甲苯进行染色，该染色剂不会影响甲苯的理化性质。将上述两种经过染色的液体置于250mL烧杯中，得到经染色剂染色的测试液体。

7)、利用图4所示装置进行油水分离实验。将上述经染色剂染色的测试液体注入进液玻璃管。由于甲苯具有较低的表面能，所以能够快速的穿过仿生油水分离膜，通过出液玻璃管，流入下置的250mL烧杯中。由于水具有较高的表面能，所以被仿生油水分离膜截留在网膜上方。由此，达到了油水分离的目的。经红外测油仪测得分离效率为94.994％。

Claims (4)

1.一种基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜，其特征在于：以不锈钢网作为支撑多孔基底，采用金属化学沉积及饱和脂肪酸交联修饰方法，得到一种具有多尺度分级树状结构的纳米颗粒包覆的铜基多孔油水分离膜。

2.根据权利要求1所述的一种基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜，其特征在于：所述的不锈钢网钢丝直径为60～65μm；所述的不锈钢网网孔孔径为130～150μm；所述的不锈钢网对水的静态接触角为38°，对油品的静态接触角接近0°。

3.权利要求1所述基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜的制备方法，其包括以下步骤：1)、将边长为10cm的正方形不锈钢网浸没到浓度为1.5摩尔每升的氯化铜水溶液中，保持15秒钟，取出后用去离子水冲洗2～3分钟；

2)、将处理过的正方形不锈钢网置于干燥器中，温度设置为70℃，保持30分钟；

3)、将经过烘干处理的正方形不锈钢网浸没到浓度为0.1摩尔每升的硬脂酸或月桂酸溶液中，保持2～2.5小时，取出后用无水乙醇冲洗2～3分钟；

4)、将经饱和脂肪酸处理过的正方形不锈钢网置于鼓风干燥箱中，温度设置为100℃，保持1～1.5小时，得到仿生油水分离膜；

步骤1)中的氯化铜溶液处理后的正方形不锈钢网，钢丝线表面会生成多尺度分级树状结构，同时覆盖有一层铜基纳米球，并且纳米球表面具有波浪形次级结构；

步骤2)中的干燥器选为鼓风干燥箱；

步骤3)中的乙醇的体积浓度为75％；

步骤4)中得到的得到仿生油水分离膜，其水的静态接触角大于152°，对于油品的静态接触角接近0°。

4.一种基于蝴蝶翅膀防油污特性的仿生油水分离膜，其用于含油废水的分离。