CN109092260A - 一种石油吸附降解材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海水治理领域,公开了一种石油吸附降解材料及其制备方法,所述材料为负载有二氧化钛纳米线的二氧化硅‑碳纳米管‑木棉纤维衍生物复合材料。所述碳纳米管为酸氧化改性的碳纳米管,所述木棉纤维衍生物为经还原处理的木棉纤维,改性后的碳纳米管和木棉纤维表面含有大量的羟基。在二氧化硅形成硅凝胶的过程中,改性后的碳纳米管和木棉纤维素表面的羟基也参与到二氧化硅凝胶的网络结构中,使得二氧化硅与碳纳米管之间或二氧化硅与木棉纤维之间通过桥氧键连接,将刚性的碳纳米管与木棉纤维键接入二氧化硅凝胶的网络结构中,能够大幅地提高气凝胶的吸油能力、强度和耐老化度,延长其使用寿命。

Description

一种石油吸附降解材料及制备方法
技术领域
本发明涉及海水治理领域,尤其涉及一种石油吸附降解材料及制备方法。
背景技术
随着工业的发展,工业对环境的污染也越来越严重。近年来,人们的环保意识逐渐加强,政府对于环境治理也越来越重视。在众多污染源头中,水污染问题尤为突出。其中,工业油的泄露与排放对海洋、河流造成了巨大的污染,对环境构成了严重的威胁。目前,一般采用高吸油树脂等吸油材料对水体中的油进行吸附。高吸油树脂是亲油性单体交联而成的聚合物,分子间具有三维交联网络状结构,通过分子内亲油基链段和油分子的溶剂化使树脂发生溶胀作用。由于高吸油树脂只能发生溶胀而不会发生溶解,因此油分子就会负载于三维网状结构中,实现高吸油树脂吸油和保油的功能。
但是,高吸油树脂的孔隙率对其吸油的容量具有很大的限制,并且高吸油树脂的吸油速率也不够快。此外,高吸油树脂的密度较高,单位体积的重量较大,不便于运输和收集。最为关键的是,高吸油树脂只能通过物理作用将油品吸附,并不能将油品降解,需要回收后再油品进行处理,不仅不方便,也增加了成本。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种石油吸附降解材料及其制备方法。本发明制备的气凝胶,在自然光光催化下能够对石油烃进行吸附并降解,且该气凝胶质轻,强度好,孔隙率高,吸油容量大,吸油速率快。
本发明的具体技术方案为:一种石油吸附降解材料,所述材料为二氧化硅-碳纳米管-木棉纤维衍生物复合材料。且所述复合材料为负载有二氧化钛的复合材料,所述碳纳米管为酸氧化改性的碳纳米管;所述木棉纤维衍生物为经还原处理的木棉纤维。
上述的石油吸附降解材料的制备方法包括以下步骤:
(1)将正硅酸乙酯、碳纳米管、木棉纤维衍生物、无水乙醇、甲苯按质量比2:0.2~0.5:0.1~0.2:20~40:0.02~0.05混合均匀,制得溶液B;将无水乙醇、浓度为0.8~1.2mol/L的冰醋酸与水按质量比15~30:8~10:1进行混合,制得溶液C;对溶液B在55~65℃下进行超声波振荡处理,将溶液C滴加到5倍质量的溶液B中;同时向溶液B中添加质量为溶液B的0.02~0.03倍的碳酸氢钠粉末,继续搅拌2~3h后,制得溶胶液。
(2)向溶胶液中添加质量为正硅酸乙酯0.2~0.3倍的二氧化钛并搅拌均匀,得载有二氧化钛的溶胶液。
(3)将载有二氧化钛的溶胶液在室温下老化36~54h,然后加入正己烷置换36~48h,分离、除去正己烷,得到载有二氧化钛的凝胶,用有机硅化合物与正己烷的混合溶液在50~65℃对其疏水改性20~36h,最后在60~80℃下真空干燥后制得气凝胶。
木棉纤维本身具有中空的管式结构,具有优良的吸油性,且质轻,但是由于其疏水性强,将其直接与其他物质一同制备成气凝胶时,木棉纤维很难与其他物质混合均匀,导致制备的气凝胶中木棉纤维分布不均匀,且制备的气凝胶的强度差。本发明将木棉纤维用低温溶解,再用硼氢化钠还原,将木棉纤维中的酮羰基还原成羟基,增加木棉纤维的吸水性,使其与其他的原料能够均匀的混合。此时再将其制备成气凝胶,木棉纤维不仅能在气凝胶中均匀分布,还能参与气凝胶的网络结构的形成,增加气凝胶的强度。
本发明技术方案的气凝胶,采用二氧化硅-碳纳米管-木棉纤维衍生物复合材料作为基体骨架,碳纳米管为酸氧化改性的碳纳米管,其表面具有大量的羟基,木棉纤维衍生物为经还原改性的木棉纤维,表面具有大量羟基。木棉纤维本身具有中空的管式结构,具有优良的吸油性,且质轻,将上述两者与正硅酸乙酯进行掺杂一同制备气凝胶时,在正硅酸乙酯中的二氧化硅形成硅凝胶的过程中,酸氧化改性后的碳纳米管和还原后的木棉纤维表面的羟基也参与到二氧化硅凝胶的网络结构中,使得二氧化硅与碳纳米管之间或二氧化硅与木棉纤维之间通过桥氧键连接,将刚性的碳纳米管与木棉纤维键接入二氧化硅凝胶的网络结构中,能够大幅地提高气凝胶的吸油能力、强度和耐老化度,延长使用寿命。并且难能可贵的是,由于碳纳米管和木棉纤维自身也具有纳米/微米尺寸的中空管状结构,尤其是木棉纤维本身具有很强的吸油能力,与二氧化硅一同复合后,能够形成更复杂的网络交联结构,能够增加气凝胶的吸油能力和孔道丰富性。由于碳纳米管和木棉纤维的孔隙是自身所特有的,因此与二氧化硅一同形成的复合材料的韧性和强度更高。
在步骤(1)中,甲苯和碳酸氢钠作为致孔剂,能够在凝胶的形成过程中致孔,二者相互配合能够形成更加丰富的孔道结构。因此本气凝胶中含有三种不同成因的孔隙:气凝胶交联形成的孔隙、碳纳米管和木棉纤维自身的管状孔、致孔剂制成的孔,这三种孔隙尺寸不一,因此形成的复合材料的孔径范围大。不同尺寸的孔隙对不同分子量的石油烃具有不同的吸附效率,因此,能够提高气凝胶的整体吸油效果。
在步骤(2)中,本发明方法对气凝胶进行了载二氧化钛,二氧化钛是优良的光催化剂,不会对水体造成污染,能够在光催化下使石油烃降解。
为了碳纳米管和木棉纤维能够通过化学键与二氧化硅凝胶结合,本发明对碳纳米管和木棉纤维进行了改性,使其表面具有大量的羟基。但是,由于本发明的气凝胶是作为水体的吸油剂的,因此需要有良好的亲油性和疏水性。因此本发明在步骤(3)中对气凝胶进行了疏水改性。
作为优选,所述步骤(1)中溶液C向溶液B中的滴加速度为每秒滴加1~3滴。需严格控制滴加速度,若滴加速度过快,容易破坏已经形成的二氧化硅的网络结构,形成的孔洞过大。该滴加速度能够使气凝胶具有良好的网络交联结构,以及理想的孔隙率和凝胶强度。
作为优选,所述步骤(1)中正硅酸乙酯、碳纳米管、木棉纤维衍生物、无水乙醇、甲苯的质量比为1:0.2:0.8:15:0.02,无水乙醇、冰醋酸与水的质量比为23:9:1。
作为优选,所述步骤(3)中有机硅化合物与正己烷的体积比为1:3~6,且有机硅化合物与正己烷的混合溶液与载二氧化钛的凝胶的质量比为100:15~30。
作为优选,所述步骤(3)中有机硅化合物为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅胺烷、甲基三甲氧基硅烷中的至少一种。
作为优选,所述碳纳米管的粒径为800~900nm。该尺寸的碳纳米管能够使复合材料气凝胶具有较高的强度和吸油能力。
作为优选,碳纳米管的改性方法为:将碳纳米管加入浓度为60~70wt%的浓硝酸中,每1g碳纳米管用50~100ml浓硝酸,在100~140℃的条件下处理4~8h,冷却、过滤,用蒸馏水清洗至滤液呈中性,干燥后研磨得酸氧化改性的碳纳米管。本发明通过浓硝酸对碳纳米管进行氧化改性,通过控制浓硝酸的用量和反应时间可以调节碳纳米管表面的羟基的数量。
作为优选,木棉纤维还原处理的方法为:将木棉纤维用6~8wt%NaOH/6~12wt%尿素/6~12wt%硫脲水溶液在-15~-10℃的低温下溶解,制得溶液A,将硼氢化钠溶解在甲醇溶液中,搅拌溶液A,将质量为木棉纤维0.1~0.2倍的硼氢化钠的甲醇溶液分批次加入溶液A中,室温下搅拌1~2h,向反应后的溶液中加入冰醋酸,过滤,用蒸馏水反复洗涤,干燥后得还原处理的木棉纤维,即木棉纤维衍生物。本发明利用低温NaOH/尿素/硫脲体系对木棉纤维进行溶解,并用硼氢化钠对木棉纤维表面的羰基进行还原,增加其表面的羟基含量,增加其溶解性,使木棉纤维能够顺利的与二氧化硅凝胶通过桥氧键连接。
与现有技术对比,本发明的有益效果是:本发明提供一种石油吸附降解材料的制备方法及其应用,本发明制备的气凝胶,在光催化下能够对石油烃进行吸附并降解,且该气凝胶质轻,强度好,孔隙率高,吸油容量大,吸油速率快。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、连接结构和方法,若无特指,均为本领域公知的装置、连接结构和方法。
实施例1
一种石油吸附降解材料的制备方法,其制备方法如下:
(1)选用粒径为800~900nm的碳纳米管,将其加入浓度为65wt%的浓硝酸中,每1g碳纳米管用75ml浓硝酸,在120℃的条件下处理6h,冷却、过滤,用蒸馏水清洗至滤液呈中性,干燥后研磨得酸氧化改性的碳纳米管。
将木棉纤维用7wt%NaOH/9wt%尿素/9wt%硫脲水溶液在-12℃的低温下溶解,制得溶液A。将质量为木棉纤维0.15倍的硼氢化钠溶解在甲醇溶液中,搅拌溶液A,将硼氢化钠的甲醇溶液分3次加入溶液A中,每次间隔5min,室温下搅拌1.5h,向反应后的溶液中加入摩尔量为NaOH的2倍的冰醋酸,过滤,用蒸馏水反复洗涤,干燥后得还原处理的木棉纤维衍生物。
将正硅酸乙酯、酸氧化改性的碳纳米管、木棉纤维衍生物、无水乙醇、甲苯按质量比1:0.2:0.8:15:0.02进行混合,制得溶液B;将无水乙醇、1mol/L的冰醋酸与水按质量比23:9:1进行混合,制得溶液C;对溶液A在60℃下进行超声波振荡处理,将溶液C滴加到5倍质量的溶液B中,控制溶液C的滴加速度2滴/秒。同时向溶液B中添加质量为溶液B的0.025倍的碳酸氢钠粉末,继续搅拌2.5h后,制得溶胶液。
(2)向溶胶液中添加质量为正硅酸乙酯0.25倍的二氧化钛并搅拌均匀,得载有二氧化钛的溶胶液。
(3)将载有二氧化钛的溶胶液在室温下老化45h,接着向载有二氧化钛的溶胶液中添加正己烷进行溶剂置换42h,分离除去正己烷,得到载有二氧化钛的凝胶,用有机硅化合物与正己烷的混合溶液对载有二氧化钛的凝胶在60℃下进行疏水改性28h,所述有机硅化合物与正己烷的混合溶液中,有机硅化合物与正己烷的体积比为1:4.5,有机硅化合物与正己烷的混合溶液与载银凝胶的质量比为100:23。所述有机硅化合物为六甲基二硅氧烷。最后在70℃下真空干燥后制得气凝胶。
实施例2
一种石油吸附降解材料的制备方法,其制备方法如下:
(1)选用粒径为800~900nm的碳纳米管,将其加入浓度为60wt%的浓硝酸中,每1g碳纳米管用50ml浓硝酸,在140℃的条件下处理4h,冷却、过滤,用蒸馏水清洗至滤液呈中性,干燥后研磨得酸氧化改性的碳纳米管。
将木棉纤维用8wt%NaOH/6wt%尿素/12wt%硫脲水溶液在-15℃的低温下溶解,制得溶液A。将质量为木棉纤维0.1倍的硼氢化钠溶解在甲醇溶液中,搅拌溶液A,将硼氢化钠的甲醇溶液分3次加入溶液A中,每次间隔5min,室温下搅拌2h,向反应后的溶液中加入摩尔量为NaOH的2倍的冰醋酸,过滤,用蒸馏水反复洗涤,干燥后得还原处理的木棉纤维衍生物。
将正硅酸乙酯、酸氧化改性的碳纳米管、木棉纤维衍生物、无水乙醇、甲苯按质量比1:0.2:0.8:15:0.02进行混合,制得溶液B;将无水乙醇、0.8mol/L的冰醋酸与水按质量比23:9:1进行混合,制得溶液C;对溶液A在55℃下进行超声波振荡处理,将溶液C滴加到5倍质量的溶液B中,控制溶液C的滴加速度1滴/秒。同时向溶液B中添加质量为溶液B的0.02倍的碳酸氢钠粉末,继续搅拌3h后,制得溶胶液。
(2)向溶胶液中添加质量为正硅酸乙酯0.2倍的二氧化钛并搅拌均匀,得载有二氧化钛的溶胶液。
(3)将载有二氧化钛的溶胶液在室温下老化36h,接着向载有二氧化钛的溶胶液中添加正己烷进行溶剂置换36h,分离除去正己烷,得到载有二氧化钛的凝胶,用有机硅化合物与正己烷的混合溶液对载有二氧化钛的凝胶在50℃下进行疏水改性20h,所述有机硅化合物与正己烷的混合溶液中,有机硅化合物与正己烷的体积比为1:3,有机硅化合物与正己烷的混合溶液与载银凝胶的质量比为100:15。所述有机硅化合物为六甲基二硅氮烷。最后在80℃下真空干燥后制得气凝胶。
实施例3
一种石油吸附降解材料的制备方法,其制备方法如下:
(1)选用粒径为800~900nm的碳纳米管,将其加入浓度为63wt%的浓硝酸中,每1g碳纳米管用85ml浓硝酸,在100℃的条件下处理6h,冷却、过滤,用蒸馏水清洗至滤液呈中性,干燥后研磨得酸氧化改性的碳纳米管。
将木棉纤维用7wt%NaOH/10wt%尿素/7wt%硫脲水溶液在-12℃的低温下溶解,制得溶液A。将质量为木棉纤维0.2倍的硼氢化钠溶解在甲醇溶液中,搅拌溶液A,将硼氢化钠的甲醇溶液分3次加入溶液A中,每次间隔5min,室温下搅拌1.5h,向反应后的溶液中加入摩尔量为NaOH的2倍的冰醋酸,过滤,用蒸馏水反复洗涤,干燥后得还原处理的木棉纤维衍生物。
将正硅酸乙酯、酸氧化改性的碳纳米管、木棉纤维衍生物、无水乙醇、甲苯按质量比1:0.2:0.8:15:0.02进行混合,制得溶液B;将无水乙醇、1.2mol/L的冰醋酸与水按质量比23:9:1进行混合,制得溶液C;对溶液A在65℃下进行超声波振荡处理,将溶液C滴加到5倍质量的溶液B中,控制溶液C的滴加速度3滴/秒。同时向溶液B中添加质量为溶液B的0.03倍的碳酸氢钠粉末,继续搅拌2h后,制得溶胶液。
(2)向溶胶液中添加质量为正硅酸乙酯0.3倍的二氧化钛并搅拌均匀,得载有二氧化钛的溶胶液。
(3)将载有二氧化钛的溶胶液在室温下老化50h,接着向载有二氧化钛的溶胶液中添加正己烷进行溶剂置换48h,分离除去正己烷,得到载有二氧化钛的凝胶,用有机硅化合物与正己烷的混合溶液对载有二氧化钛的凝胶在65℃下进行疏水改性36h,所述有机硅化合物与正己烷的混合溶液中,有机硅化合物与正己烷的体积比为1:5,有机硅化合物与正己烷的混合溶液与载银凝胶的质量比为100:28。所述有机硅化合物为六甲基二硅胺烷。最后在80℃下真空干燥后制得气凝胶。
实施例4
一种石油吸附降解材料的制备方法,其制备方法如下:
(1)选用粒径为800~900nm的碳纳米管,将其加入浓度为65wt%的浓硝酸中,每1g碳纳米管用80ml浓硝酸,在120℃的条件下处理8h,冷却、过滤,用蒸馏水清洗至滤液呈中性,干燥后研磨得酸氧化改性的碳纳米管。
将木棉纤维用6wt%NaOH/8wt%尿素/10wt%硫脲水溶液在-14℃的低温下溶解,制得溶液A。将质量为木棉纤维0.15倍的硼氢化钠溶解在甲醇溶液中,搅拌溶液A,将硼氢化钠的甲醇溶液分3次加入溶液A中,每次间隔5min,室温下搅拌2h,向反应后的溶液中加入摩尔量为NaOH的2倍的冰醋酸,过滤,用蒸馏水反复洗涤,干燥后得还原处理的木棉纤维衍生物。
将正硅酸乙酯、酸氧化改性的碳纳米管、木棉纤维衍生物、无水乙醇、甲苯按质量比1:0.2:0.8:15:0.02进行混合,制得溶液B;将无水乙醇、1mol/L的冰醋酸与水按质量比23:9:1进行混合,制得溶液C;对溶液A在60℃下进行超声波振荡处理,将溶液C滴加到5倍质量的溶液B中,控制溶液C的滴加速度2滴/秒。同时向溶液B中添加质量为溶液B的0.028倍的碳酸氢钠粉末,继续搅拌3h后,制得溶胶液。
(2)向溶胶液中添加质量为正硅酸乙酯0.25倍的二氧化钛并搅拌均匀,得载有二氧化钛的溶胶液。
(3)将载有二氧化钛的溶胶液在室温下老化48h,接着向载有二氧化钛的溶胶液中添加正己烷进行溶剂置换42h,分离除去正己烷,得到载有二氧化钛的凝胶,用有机硅化合物与正己烷的混合溶液对载有二氧化钛的凝胶在65℃下进行疏水改性24h,所述有机硅化合物与正己烷的混合溶液中,有机硅化合物与正己烷的体积比为1:4,有机硅化合物与正己烷的混合溶液与载银凝胶的质量比为100:25。所述有机硅化合物为甲基三甲氧基硅烷。最后在75℃下真空干燥后制得气凝胶。
实施例1~4制得的气凝胶的性能如下表所示:
孔隙率 比表面积 密度 吸油倍率 抗拉强度
实施例1 96% 583m<sup>2</sup>/g 3.14kg/m<sup>3</sup> 23 25.8Gpa
实施例2 91% 512m<sup>2</sup>/g 3.97kg/m<sup>3</sup> 18 21.6GPa
实施例3 92% 547m<sup>2</sup>/g 3.73kg/m<sup>3</sup> 20 22.9GPa
实施例4 95% 476m<sup>2</sup>/g 3.29kg/m<sup>3</sup> 21 24.3GPa
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换,均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种石油吸附降解材料,其特征在于:所述材料为二氧化硅-碳纳米管-木棉纤维衍生物复合材料。
2.如权利要求1所述的一种石油吸附降解材料,其特征在于:所述复合材料为负载有二氧化钛的复合材料。
3.如权利要求1所述的一种石油吸附降解材料,其特征在于:所述碳纳米管的粒径为800~900nm。
4.如权利要求1或3所述的一种石油吸附降解材料,其特征在于:所述碳纳米管为酸氧化改性的碳纳米管;其改性方法为:将碳纳米管加入浓度为60~70wt%的浓硝酸中,每1g碳纳米管用50~100ml浓硝酸,在100~140℃的条件下处理4~8h,冷却、过滤,用蒸馏水清洗至滤液呈中性,干燥后研磨得酸氧化改性的碳纳米管。
5.如权利要求1所述的一种石油吸附降解材料,其特征在于:所述木棉纤维衍生物为经还原处理的木棉纤维;还原处理的方法为:将木棉纤维用6~8wt%NaOH/6~12wt%尿素/6~12wt%硫脲水溶液在-15~-10℃的低温下溶解,制得溶液A,将质量为木棉纤维0.1~0.2倍的硼氢化钠溶解在甲醇溶液中,搅拌溶液A,将硼氢化钠的甲醇溶液分批次加入溶液A中,室温下搅拌1~2h,向反应后的溶液中加入冰醋酸,过滤,用蒸馏水反复洗涤,干燥后得还原处理的木棉纤维,即木棉纤维衍生物。
6.如权利要求1所述的一种石油吸附降解材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)将正硅酸乙酯、碳纳米管、木棉纤维衍生物、无水乙醇、甲苯按质量比2:0.2~0.5:0.1~0.2:20~40:0.02~0.05混合均匀,制得溶液B;将无水乙醇、浓度为0.8~1.2mol/L的冰醋酸与水按质量比15~30:8~10:1进行混合,制得溶液C;对溶液B在55~65℃下进行超声波振荡处理,将溶液C滴加到5倍质量的溶液B中;同时向溶液B中添加质量为溶液B的0.02~0.03倍的碳酸氢钠粉末,继续搅拌2~3h后,制得溶胶液;
(2)向溶胶液中添加质量为正硅酸乙酯0.2~0.3倍的二氧化钛并搅拌均匀,得载有二氧化钛的溶胶液;
(3)将载有二氧化钛的溶胶液在室温下老化36~54h,然后加入正己烷置换36~48h,分离、除去正己烷,得到载有二氧化钛的凝胶,用有机硅化合物与正己烷的混合溶液在50~65℃对其疏水改性20~36h,最后在60~80℃下真空干燥后制得气凝胶。
7.如权利要求6所述的一种石油吸附降解材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述溶液C向溶液B中的滴加速度为每秒滴加1~3滴。
8.如权利要求6所述的一种石油吸附降解材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述正硅酸乙酯、碳纳米管、木棉纤维衍生物、无水乙醇、甲苯的质量比为1:0.2:0.8:15:0.02,无水乙醇、冰醋酸与水的质量比为23:9:1。
9.如权利要求6所述的一种石油吸附降解材料的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,所述有机硅化合物与正己烷的体积比为1:3~6,且有机硅化合物与正己烷的混合溶液与载二氧化钛的凝胶的质量比为100:15~30。
10.如权利要求6或9所述的一种石油吸附降解材料的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,所述有机硅化合物为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅胺烷、甲基三甲氧基硅烷中的至少一种。
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