CN108686628B - 一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法，将废纸粉碎并分散在稀盐酸溶液中，过滤收集沉淀物并用去离子水冲洗至中性，随后将沉淀物干燥备用；将沉淀物分散在去离子水中，搅拌形成均匀的纸浆，加入Fe3O4纳米粒子和环氧氯丙烷搅拌均匀，冷冻干燥，置于烘箱中处理，得到废纸基磁性气凝胶；将制得的气凝胶浸渍在多巴胺乙醇溶液中，取出室温干燥，随后浸渍在疏水剂中，在室温下干燥后即得到油水分离用废纸基可回收气凝胶。本发明以生活废纸纤维为原料制备可吸油气凝胶材料，不仅有利于缓解石化资源短缺的危机，而且为废弃物的高值化利用提供了新途径。

Description

一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及化工、生物质可再生材料及油水分离领域，具体涉及一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法。
技术背景
海上石油泄漏和有机污染物泄漏事故频繁发生，泄漏出来的有毒物质对海洋生态环境和人类健康造成了巨大伤害。传统的油水分离技术主要包括浮选、重力分离、离心、过滤等，但是大都步骤繁琐且所用时间很长。而且这些分离技术通常依赖经验，经常出现油水分离不完全的现象，致使油中含有部分水或水中含有部分油。因此，开发油水分离的新技术和新材料迫在眉睫。近年来，多种具有特殊浸润性（超疏水/超亲油，超疏油/超亲水）的多孔材料被开发出来应用于油水分离。气凝胶作为一种三维的多孔材料，其相互连通的网络结构赋予气凝胶低密度、高孔隙率、大比表面积的特性。把超疏水/超亲油性能引入气凝胶,将所获得的多孔材料作为油水分离吸附材料用于处理海洋石油泄漏或者液态有机试剂泄漏事故成为研究热点。
随着社会经济的快速发展，石化资源短缺和环境污染的问题日益严峻。因此采用绿色制备技术，研究和开发以生物质为原料的超疏水/超亲油气凝胶功能材料，并实现其在油水分离领域的大规模应用，是符合我国绿色化学和可持续发展策略的一个重要措施。纤维素是自然界中储量最为丰富的天然可再生高分子材料，具有来源广、可再生、强度高、成本低、可完全生物降解和易于物理或化学修饰等特点，被认为是未来世界能源和化工领域的主要原材料。通过改变制备条件和表面改性方法，各种各样的纤维素气凝胶被制备出来用于油水分离。但是仍然存在一些限制，一是上述方法通常需要将纤维素纳米化或者溶解在溶剂中，进而生成纤维素气凝胶骨架，造成实验步骤繁琐，对原材料的要求比较高；二是使用后的纤维素气凝胶回收困难，成本增加。
有报道称，全球的造纸产量在2020年将达到5亿吨。而废纸已经成为城市污染的主要组成部分。传统的处理方法是将其再转化成新的纸产品加以利用，但是多次循环利用以后，废纸将不再适合制成纸产品，只能使用填埋或焚烧的方法进行处理，不仅造成资源浪费，还会污染环境。因此寻找其他废纸利用的新途径将能大大提高资源的利用率。
发明内容：
解决的技术问题：为了充分利用废纸纤维和解决现有的油水分离材料制备技术上的不足，本发明提出了一种油水分离用废纸基可回收气凝胶材料的制备方法，本发明材料以生活废纸为原材料，通过混合磁性纳米粒子，在多巴胺的辅助下，得到疏水亲油改性的多孔、轻质气凝胶材料，可应用于油水分离领域。
技术方案：一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法，包括以下步骤：（1）将废纸粉碎并分散在稀盐酸溶液中，静置1~2天后，过滤收集沉淀物并用去离子水冲洗至中性，随后将沉淀物干燥备用；（2）将沉淀物分散在去离子水中，搅拌10~20h后形成均匀的纸浆，加入Fe3O4纳米粒子和环氧氯丙烷搅拌均匀，冷冻干燥24~36h后，置于60℃烘箱中处理2h，得到废纸基磁性气凝胶；（3）将制得的气凝胶浸渍在pH值为4~10、浓度为2~20 mg/L的多巴胺乙醇溶液中12~24h，取出室温干燥，随后浸渍在疏水剂中5~24h，在室温下干燥后即得到油水分离用废纸基可回收气凝胶。
优选的，上述步骤（1）中稀盐酸溶液的HCl质量浓度为5%，废纸在稀盐酸溶液中的质量浓度为1 %。
优选的，上述述步骤（2）中沉淀物在去离子水中的质量分数为2%~6 %。
优选的，上述述Fe3O4纳米粒子的加入量为沉淀物质量的2%~20%。
优选的，上述述Fe3O4纳米粒子粒径为5~100nm。
优选的，上述述环氧氯丙烷的添加量为沉淀物质量的1%~5%。
优选的，上述述疏水剂为浓度为5wt.%的月桂胺、肉豆蔻基胺、正十五胺、棕榈胺、硬脂伯胺、十八硫醇、十六硫醇、叔十六硫醇、正十四烷基硫醇或正十二烷基硫醇乙醇溶液中的一种。
有益效果：本发明以生活废纸纤维为原料制备可吸油气凝胶材料，不仅有利于缓解石化资源短缺的危机，而且为废弃物的高值化利用提供了新途径；废纸基气凝胶材料具有相互连通的三维多孔结构，为储存大量的液体提供了空间，疏水化修饰后，材料具有疏水亲油性，对油水混合物的吸附选择性提高，可用于油水混合物的高效分离；气凝胶制备过程中引入磁性纳米粒子，赋予其磁性，进行油水分离后的材料可用外磁场快速收集打捞，节省人力和时间；通过化学交联制备的气凝胶材料具有较强的机械强度，可进行多次的吸附-挤压过程，具有循环使用性，可大大节省油水分离成本；气凝胶制备使用的材料为可再生材料，当气凝胶材料废弃不用时可实现生物降解，不会对环境造成二次污染；该产品的制备技术简单、条件温和、不需要使用昂贵的设备和仪器、成本低，是一种绿色、环境友好型的技术工艺。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1：
废纸的预处理：将生活废纸机械粉碎，以1 wt.%的质量分数分散在浓度为5wt.%的稀盐酸溶液中并静置24h，过滤收集沉淀物，用大量去离子水冲洗至中性，将得到的沉淀物置于45℃的烘箱中干燥5h，得到处理过的废纸，并储存备用。
实施例2：
将实施例1处理过的废纸以质量分数6 %分散在去离子水中，机械搅拌20h后形成均匀的纸浆，加入分别占废纸质量分数20%和10%的Fe3O4纳米粒子（平均粒径10nm）和环氧氯丙烷搅拌均匀，冷冻干燥36h后，置于60℃烘箱中处理2h，得到废纸基磁性气凝胶；将气凝胶浸渍在pH值为8.5浓度为20 mg/L的多巴胺水溶液中5h，取出室温干燥，随后浸渍在质量分数为5%的十八硫醇的乙醇溶液中12h，取出后室温干燥即得到油水分离用废纸基可磁性回收的气凝胶。该磁性气凝胶的水接触角为155°，将0.5g的磁性气凝胶置于油水混合物中，5min可达到饱和状态，最大的吸油量为65g/g。采用磁铁吸附回收，材料的保油率达到97%。
实施例3：
将实施例1处理过的废纸以质量分数8%分散在去离子水中，机械搅拌20h后形成均匀的纸浆，加入分别占废纸质量分数20%和10%的Fe3O4纳米粒子（平均粒径10nm）和环氧氯丙烷搅拌均匀，冷冻干燥36h后，置于60℃烘箱中处理2h，得到废纸基磁性气凝胶；将气凝胶浸渍在pH值为8.5浓度为20 mg/L的多巴胺水溶液中5h，取出室温干燥，随后浸渍在质量分数为5%的十八硫醇的乙醇溶液中12h，取出后室温干燥即得到油水分离用废纸基可磁性回收的气凝胶。该磁性气凝胶的水接触角为152°，将0.5g的磁性气凝胶置于油水混合物中，5min可达到饱和状态，最大的吸油量为63g/g。采用磁铁吸附回收，材料的保油率达到98%。
实施例4：
将实施例1处理过的废纸以质量分数10%分散在去离子水中，机械搅拌20h后形成均匀的纸浆，加入分别占废纸质量分数20%和10%的Fe3O4纳米粒子（平均粒径10nm）和环氧氯丙烷搅拌均匀，冷冻干燥36h后，置于60℃烘箱中处理2h，得到废纸基磁性气凝胶；将气凝胶浸渍在pH值为8.5浓度为20 mg/L的多巴胺水溶液中5h，取出室温干燥，随后浸渍在质量分数为5%的十八硫醇的乙醇溶液中12h，取出后室温干燥即得到油水分离用废纸基可磁性回收的气凝胶。该磁性气凝胶的水接触角为148°，将0.5g的磁性气凝胶置于油水混合物中，5min可达到饱和状态，最大的吸油量为55g/g。采用磁铁吸附回收，材料的保油率达到99%。

Claims (6)

1.一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）将废纸粉碎并分散在稀盐酸溶液中，静置1~2天后，过滤收集沉淀物并用去离子水冲洗至中性，随后将沉淀物干燥备用；（2）将沉淀物分散在去离子水中，搅拌10~20h后形成均匀的纸浆，加入Fe3O4纳米粒子和环氧氯丙烷搅拌均匀，所述环氧氯丙烷的添加量为沉淀物质量的1%~5%，冷冻干燥24~36h后，置于60℃烘箱中处理2h，得到废纸基磁性气凝胶；（3）将制得的气凝胶浸渍在pH值为4~10、浓度为2~20 mg/L的多巴胺乙醇溶液中12~24h，取出室温干燥，随后浸渍在疏水剂中5~24h，在室温下干燥后即得到油水分离用废纸基可回收气凝胶。
2.根据权利要求1所述一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中稀盐酸溶液的HCl质量浓度为5%，废纸在稀盐酸溶液中的质量浓度为1 %。
3.根据权利要求1所述一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中沉淀物在去离子水中的质量分数为2%~6 %。
4.根据权利要求1所述一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法，其特征在于所述Fe3O4纳米粒子的加入量为沉淀物质量的2%~20%。
5.根据权利要求1所述一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法，其特征在于所述Fe3O4纳米粒子粒径为5~100nm。
6.根据权利要求1所述一种油水分离用废纸基可回收气凝胶的制备方法，其特征在于所述疏水剂为浓度为5wt.%的月桂胺、肉豆蔻基胺、正十五胺、棕榈胺、硬脂伯胺、十八硫醇、十六硫醇、叔十六硫醇、正十四烷基硫醇或正十二烷基硫醇乙醇溶液中的一种。
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