CN109157868A

CN109157868A - 利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法及在油水分离中的应用

Info

Publication number: CN109157868A
Application number: CN201811203724.0A
Authority: CN
Inventors: 李健; 李谋吉; 刘伟民; 张海军; 王小央
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2019-01-08

Abstract

本发明公开了一种利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法，是将清洗干净的废弃香烟滤嘴溶解于N,N‑二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶液中，制得浓度为12~14 wt%的静电纺丝液；再以清洗干净的不锈钢丝网为接收器，采用静电纺丝技术制得油水分离膜。实验表明，本发明制备的油水分离膜具有超亲水/水下超疏油和超亲油/油下超疏水的特殊浸润性质，可用于多种水包油型乳液和油包水型乳液的分离，并具有分离效率高和循环稳定性等优点。另外，该油水分离膜还呈现出较高的乳液分离通量，结合以上特性，本发明制备的油水分离膜可以广泛应用于油水混合物的分离。

Description

利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法及在油水分离中的应用

技术领域

本发明涉及一种油水分离膜的制备方法，尤其涉及一种利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法；本发明同时还涉及该油水分离膜在油水分离中的具体应用，属于特殊浸润性界面技术领域。

技术背景

近年来，随着社会经济的快速发展和石油化工产业的日益增多，含油废水和频繁的石油泄漏事件正对人类的正常生产生活以及周围的生态环境造成前所未有的危害。因此不互溶油水混合物和油水乳液的净化是当今亟待解决的问题。近年来，人们利用材料对油和水的浸润性的不同，设计制备了多种油水分离材料。例如，超疏水/超亲油和超亲油/油下超疏水的“除油型”油水分离材料只适合于分离重油和水的混合物和油包水乳液。超亲水/水下超疏油的“除水型”油水分离材料只适合分离轻油和水的混合物和水包油乳液。这些材料虽然能够有效的分离油水混合物，但是，他们只能够分离一种类型的油水混合物。此外，上述大多数材料具有复杂的制备工艺和昂贵的材料成本。因此，开发一种简单、经济、绿色，同时具有超亲水/水下超疏油和超亲油/油下超疏水特殊浸润的材料用来分离多种类型的油水混合物是迫切需要的。

据统计，每年约有80万吨的香烟滤嘴被当做废弃垃圾处理，这使得废弃香烟滤嘴成为当今环境中最常见的固体废物。由于丢弃的烟头含有大量的有毒物质并且不能被环境所降解，对人类的健康和生态环境有着不可预期的危害。因此，找到一个有效的措施将废弃的烟头转换为可以被人们再次利用的产品，减缓环境污染的同时还能为解决废弃烟头的再利用问题提供一个新颖的方向。研究表明，香烟过滤嘴由于含有大量的醋酸纤维素而表现出双亲性即超亲水/水下超疏油性能和超亲油/油下疏水性能，因此，将其用于制备成油水分离膜，在有效的分离多种类型的油水混合物的同时，还会降低废弃香烟滤嘴对环境的危害。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法。

一、油水分离膜的制备

本发明利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法，包括以下步骤：

（1）废弃香烟滤嘴的处理：将废弃香烟滤嘴剥掉外纸，先用热水清洗数次，再用蒸馏水浸泡20~24 h以除去废弃香烟滤嘴表面的污染物，然后50~60°C下干燥5~6 h；得到干净的香烟滤嘴；

（2）静电纺丝液的制备：将干净的废弃香烟滤嘴溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和丙酮的混合溶液中，得到静电纺丝液。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和丙酮的混合溶液中，N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的体积比为1:0.3~1:0.4；混合溶液中，废弃香烟滤嘴的浓度为12~14 wt%；

（3）油水分离膜的制备：以清洗干净的不锈钢丝网为接收器，采用静电纺丝技术，制得油水分离膜。

不锈钢丝网为300或2300目；使用前分别用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗。

静电纺丝过程中，电压保持在16~18 kV；针头尖端距离接受器之间的距离为14~16cm；泵推动纺丝液的速度设置为0.6~0.8 mL·h^-1；温度控制在20~30 °C，湿度为30~40%。

图1为以300目不锈钢网为接收器制备的油水分离膜（a）和以2300目不锈钢网为接收器制备的油水分离膜（b）的SEM图。由图1 可以看出，本发明制备的油水分离膜具有明显的串珠形式的粗糙结构，这对于产生水下超疏油和油下超疏水的浸润性能是至关重要的。

二、油水分离膜的性能测试

1、浸润性测试

空气中水的接触角测试：将薄膜水平放在接触角测量仪器上。取4 μL水滴进行测量。

空气中油的接触角测试：将薄膜水平放在接触角测量仪器上。取4 μL油滴进行测量。

水下对油的接触角测试：先将膜浸泡在蒸馏水中，待浸润30 min之后，水平放在接触角测量仪器上，分别取4 μL不同的油滴进行测量。

油下对水的接触角测试：先将膜浸泡在不同的油中，待浸润30 min之后，水平放在接触角测量仪器上，分别取4 μL水滴进行测量。

测试结果：油水分离膜在空气中的润湿性和在水下对各种油的接触角以及在各种油下水的接触角见图2。可见，本发明制备的油水分离膜在空气中表现出超双亲性（a），而在水下对多种油（煤油、柴油、正己烷、石油醚或三氯甲烷）的接触角和各种油下对水的接触角均大于150°（d，e），表明该油水分离膜具有超亲水/水下超疏油和超亲油/油下超疏水的浸润性能，可以分离油水混合物。

2、对不互溶油水混合物分离性能测试

以水和煤油的混合物及三氯甲烷和水的混合物为例进行分离实验：将制备的油水分离膜固定于分离装置中，先滴入适量水/三氯甲烷浸润废弃香烟滤嘴油水分离膜，然后倒入经过染色处理的煤油/三氯甲烷与水的混合物进行分离。随着分离的进行，对于水和煤油的混合物，密度较大的水会通过油水分离膜滴入下方烧杯中，而密度较小的煤油则被阻隔在油水分离膜的上方，从而实现煤油和水的混合物的分离。类似地，对于三氯甲烷和水的混合物，密度较大的三氯甲烷会通过油水分离膜滴入下方烧杯中，而密度较小的水则被阻隔在油水分离膜的上方，从而实现三氯甲烷和水的混合物的分离。

经过对多种油水混合物的分离测试可知，本发明制备的油水分离膜对多种油水混合物均具有很好的分离效率，高于99.9%的分离效率（见图3a）。此外，所制备的油水分离膜还具有杰出的循环性能，在次循环40后，分离效率仍保持在99.98%（见3b）。并且，该油水分离膜还呈现出较高的通量：通量高达1000 L m^-2 h^-1以上（见图3c）。

3、对油水乳液分离性能测试

以水包煤油和煤油包水为例进行分离实验：将制备的油水分离膜固定于分离装置中，然后倒入经过水包煤油乳液/煤油包水乳液进行分离。发现，随着分离的进行，水包煤油/煤油包水逐渐减少，而清澈的滤液逐渐滴入下方烧杯中，实现水包油乳液的分离。另外，从分离前后的光学显微照片和粒径分布图中可以明显看到其分离效果（见图4、图5）。

经过对多种水包油乳液和油包水乳液的分离测试得知，本发明制备的油水分离膜对多种水包油乳液和油包水乳液均具有较高的分离效率：高于99.0%的分离效率（见图6a）。此外，该油水分离膜还呈现出相对较高的滤液通量：通量可高达224.5 L m^-2 h^-1（见图6b）。并且，所制备的油水分离膜还具有较好的循环性能，在次循环10后，分离效率仍保持在99.3%（见图6c）。

综上所述，本发明利用废弃香烟滤嘴制备的油水分离膜具有空气中超双亲和水下超疏油以及油下超疏水的特殊浸润性质，可用于多种水包油型乳液和油包水型乳液的分离，并具有分离效率高和循环稳定性等优点。另外，该油水分离膜还呈现出较高的乳液分离通量，结合以上特性，本发明制备的油水分离膜可以广泛应用于油水混合物的分离。

附图说明

图1为本发明所制备的不同基底的废弃香烟滤嘴油水分离膜的SEM图。

图2为本发明所制备的废弃香烟滤嘴油水分离膜在空气中的浸润性测试图及水下油接触角、滚动角和油下水接触角、滚动角柱状图。

图3为本发明所制备的油水分离膜对于不同不互溶油水混合物分离的分离效率、循环稳定性和通量柱状图。

图4为本发明所制备的油水分离膜对水包油乳液分离前后的光学照片、显微镜照片和粒径分布图。

图5为本发明所制备的油水分离膜对油包水乳液分离前后的光学照片、显微镜照片和粒径分布图。

图6为本发明所制备油水分离膜对水包油和油包水乳液分离的分离效率、通量和循环稳定性柱状图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法和性能作进一步说明。

实施例一

废弃香烟滤嘴的清洁：将废弃香烟滤嘴剥掉外纸，用热水清洗数次后用蒸馏水浸泡24h以除去废弃香烟滤嘴表面的污染物；然后，在60 °C下干燥6 h得到干净的香烟滤嘴；

静电纺丝液的制备：将干净的废弃香烟滤嘴溶解于DMF和丙酮混合溶液中（DMF与丙酮的体积比为1:0.3），制得浓度为12.4 wt%的静电纺丝液；

油水分离膜的制备：以300目不锈钢丝网为（分别用丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗干净）接收器，利用静电纺丝的方法，制得到油水分离膜，标记为CFNM-300。纺丝过程中，电压保持在17 kV；针头尖端距离不锈钢丝网的距离为15 cm。泵推动纺丝液的速度设置为0.7mL·h^-1；温度控制在25 °C，湿度大约为35 %。

油水分离膜CFNM-300的油水分离应用效果见图4、图5、图6。

实施例二

废弃香烟滤嘴的清洁：同实施例1；

静电纺丝液的制备：将清洗干净的废弃香烟滤嘴溶解于DMF和丙酮混合溶液中（DMF与丙酮的体积比为1::0.4），制得浓度为13 wt%的静电纺丝液；

油水分离膜的制备：以2300目不锈钢丝网为（分别用丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗干净）接收器，利用静电纺丝的方法，制得到油水分离膜，标记为CFNM-2300。纺丝过程中电压保持在16 kV；针头尖端距离不锈钢丝网的距离为16 cm。泵推动纺丝液的速度设置为0.8mL·h^-1；温度控制在25 °C，湿度大约为40 %。

油水分离膜CFNM-2300的油水分离应用效果类似实施例一。

Claims

1.利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法，包括以下步骤：

（1）废弃香烟滤嘴的处理：将废弃香烟滤嘴剥掉外纸，先用热水清洗数次，再用蒸馏水浸泡20~24 h以除去废弃香烟滤嘴表面的污染物，然后50~60 °C下干燥5~6 h；得到干净的香烟滤嘴；

（2）静电纺丝液的制备：将清洗干净的废弃香烟滤嘴溶解于N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶液中，得到静电纺丝液；

2.如权利要求1所述利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法，其特征在于：N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶液中，N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的体积比为1:0.3~1:0.4。

3.如权利要求1所述利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法，其特征在于：步骤（2）制备的静电纺丝液的浓度为12~14 wt%。

4.如权利要求1所述利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法，其特征在于：不锈钢丝网为300~2300目；使用前分别用丙酮、乙醇、去离子水进行超声清洗。

5.如权利要求1所述利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法，其特征在于：静电纺丝过程中，电压保持在16~18 kV；针头尖端距离接受器之间的距离为14~16 cm；泵推动纺丝液的速度设置为0.6~0.8 mL·h^-1。

6.如权利要求1所述利用废弃香烟滤嘴制备油水分离膜的方法，其特征在于：静电纺丝过程中，温度控制在20~30 °C，湿度为30~40%。

7.如权利要求1所述方法制备的油水分离膜在油水分离方面的应用。

8.如权利要求7所述方法制备的油水分离膜在油水分离方面的应用，其特征在于：仅在重力作用下可以有效分离不互溶油水混合物、油水乳液。

9.如权利要求8所述方法制备的油水分离膜在油水分离方面的应用，其特征在于：所述不互溶油水混合物为煤油和水、柴油和水、正己烷和水、石油醚和水、三氯甲烷和水的混合物。

10.如权利要求8所述方法制备的油水分离膜在油水分离方面的应用，其特征在于：所述油水乳液为水包煤乳液、水包柴油乳液、水包正己烷乳液、水包石油醚乳液、煤油包水乳液、柴油包水乳液、正己烷包水乳液、石油醚包水乳。