CN109608689A - 一种超疏水性海绵及其制备方法与应用 - Google Patents

一种超疏水性海绵及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超疏水性海绵及其制备方法与应用。该方法为将制备好的聚二乙烯基苯放入无水乙醇中，超声搅拌，制备聚二乙烯基苯悬浮液，将清洗干燥后的海绵浸泡3 min，之后放入烘箱中烘干，得到超疏水海绵。与其他工艺相比，本发明制备过程简便可行，环境温和，无复杂设备仪器要求。该接触角可以达到154.4°，表现出超疏水和超亲油性，可以对油水混合物进行有效地分离，对挥发性有机物也具有良好的吸附作用。本发明所制备的超疏水性海绵可广泛应用于水污染控制、大气污染控制等领域。

Description

一种超疏水性海绵及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种超疏水性海绵及其制备方法与应用。
背景技术
随着工业和社会经济的发展，有机溶剂的溢漏和工业排放越来越严重，造成了严重的环境和生态破坏。这些含油污染物一旦排入水环境中，就能阻止空气中的氧溶于水中，使水中浮游生物等因缺氧而死亡，并导致鱼和贝类变味，不宜食用。而且油类和它的分解产物存在着多种有毒物质，这些物质在水体中被水生生物摄取、吸收、富集，造成水生生物畸变。
因此，需要开发用于从水表面高效收集和分离大量有机污染物的新材料。传统用于油/水分离的传统吸收材料几乎是微孔吸收剂，例如羊毛，沸石，活性炭，和膨胀石墨，其具有吸收能力低，选择性较低，吸油少和耐久性差的缺点。 海绵是一种多孔亲水性聚合物，因其孔隙率高，重量轻，弹性好，大规模生产成本低而得到广泛应用。但是由于海绵同时吸收水和油，造成其吸附效率低，因此对其进行超疏水表面改性可以使得海绵达到选择性吸收油的效果。然而目前报道的工艺制备要求复杂，对环境不温和。
同时我国现阶段空气污染特别是挥发性有机物（VOCs）的污染问题十分严重，对其治理刻不容缓。传统的活性炭及分子筛等吸附剂在湿度较大的废气环境中对VOCs的吸附性能较差，急需开发高效经济的疏水性吸附剂。
聚二乙烯基苯制备简单，拥有超疏水亲油的特性。以海绵为基底，利用聚二乙烯基苯对其进行修饰。得到的超疏水海绵具有优异的机械稳定性、油水分离效果和重复使用性。而整个制备方法工艺简单，对环境温和，不需使用精密仪器。同时海绵的3D结构促进了VOCs在聚二乙烯基苯之间的传递吸附，提高了吸附量，超疏水的特性也适用于高湿度的有机废气中。
发明内容
本发明公开了一种制备超疏水海绵的制备方法，该方法将制备出的超疏水纺海绵可以进行选择性油吸附，快速分离油水混合物。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种超疏水性海绵的制备方法，包括以下步骤：
（1）取2.0~4.0 g二乙烯基苯溶于16~64 mL有机溶剂中，再加入0~10 mL水，随后加入0.05~0.40 g引发剂，之后将该混合溶液室温搅拌3~5 h；
（2）将混合溶液放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，置于80~120 ℃的烘箱中24~48 h；
（3）于室温下冷却，挥发有机溶剂和水，得到聚二乙烯基苯，研磨成粉末；
（4）将聚二乙烯基苯放入有机溶剂，在超声环境下搅拌，配置成不同浓度的聚二乙烯基苯悬浮液；所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮、甲醇、N，N-二甲基甲酰胺；
（5）将海绵放入悬浮液中，超声浸泡，之后放入烘箱中烘干，即得超疏水海绵。
上述方法中，步骤（1）中二乙烯基苯：有机溶剂：引发剂=1：8~16：0.025~0.05，所述引发剂为偶氮二异丁腈或三氟化硼乙醚；所述有机溶剂为四氢呋喃、乙酸乙酯或者丙酮。
上述方法中，步骤（2）所述的海绵，其价格便宜，来源广泛，吸附容量大，但是同时会吸收油和水，本发明先用乙醇经行超声清洗，再用水清洗，烘干，之后负载聚二乙烯基苯，在表面形成超疏水层。
上述方法中，二乙烯基苯：有机溶剂：引发剂=1：8~16：0.025~0.05。
上述方法中，通过调整聚二乙烯基苯悬浮液的浓度，来控制海绵上聚二乙烯基苯的负载量。当悬浮液浓度小于10g/L时，负载量小于60%，海绵不能完全达到超疏水程度。
上述方法中，步骤（4）中，所述悬浮液浓度为10 g/L~25 g/L。
上述方法中，步骤（5）中海绵的负载量为60 %~90 % 。
上述方法中，步骤（5）中，浸泡时间为2~5 min；烘箱温度为50~80℃。
一种超疏水性海绵，该超疏水海绵的接触角为154.4°，具有较高的机械强度，吸附容量大且可以重复使用，属于超疏水吸附材料。
上述超疏水海绵应用于选择性吸附油。
上述超疏水海绵应用于挥发性有机物的吸附。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明的工艺流程简单，海绵的价格低廉，来源广泛，且可以重复利用。在整个过程中，无须使用精密仪器，制备方法简单，环境温和，而所制得的超疏水海绵水接触角为154.4°，具有疏水亲油的特点，可以对油水混合物进行选择性吸附，且可以循环使用。同时对VOCs也具有良好的吸附效果。
附图说明
图1为普通海绵的SEM图。
图2为本发明超疏水海绵的SEM图。
图3为本发明超疏水海绵润湿性效果图。
图4为原始海绵润湿性效果图。
图5为油水分离测试图。
图6为不同吸附剂随时间变化对气态甲苯静态吸附图。
图7为不同吸附剂气态甲苯 12 h 静态吸附量图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
量取40 mL乙酸乙酯，然后放入4 g二乙烯基苯，随后加入0.10 g偶氮二异丁腈，将混合溶液在室温搅拌4 h，之后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，置于100 ℃的烘箱中24 h。先用乙醇对海绵进行超声清洗20 min，再用水对海绵经行超声清洗20 min，之后放入烘箱中烘干。将聚二乙烯基苯研磨成粉末，取1g放入80ml无水乙醇中，超声搅拌20 min。将海绵切成2*2*3 cm的长方体，放入悬浮液中，浸泡3 min，然后放入50℃烘箱中烘干。重复三次，即得超疏水海绵。
实施例2
取20 mL四氢呋喃和3 mL水混合，然后放入2 g二乙烯基苯，随后加入0.05 g偶氮二异丁腈，将混合溶液在室温搅拌4 h，之后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，置于100 ℃的烘箱中24 h。先用乙醇对海绵进行超声清洗20 min，再用水对海绵经行超声清洗20 min，之后放入烘箱中烘干。将聚二乙烯基苯研磨成粉末，取1g放入50 mL无水乙醇中，超声搅拌20 min。将海绵切成2*2*3 cm的长方体，放入悬浮液中，浸泡3 min，然后放入80℃烘箱中烘干。重复三次，即得超疏水海绵。
实施例3
取20 mL四氢呋喃和2 mL水混合，然后放入2 g二乙烯基苯，随后加入0.05 g偶氮二异丁腈，将混合溶液在室温搅拌4 h，之后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，置于100 ℃的烘箱中48 h。先用乙醇对海绵进行超声清洗20 min，再用水对海绵经行超声清洗20 min，之后放入烘箱中烘干。将聚二乙烯基苯研磨成粉末，取2g放入100 mL无水乙醇中，超声搅拌20 min。将海绵切成2*2*3 cm的长方体，放入悬浮液中，浸泡3 min，然后放入70℃烘箱中烘干。重复三次，即得超疏水海绵。
实施例4
量取20 mL四氢呋喃，然后放入2.5 g二乙烯基苯，随后加入0.08 g偶氮二异丁腈，将混合溶液在室温搅拌3.5 h。之后放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，置于100 ℃的烘箱中48 h。先用乙醇对海绵进行超声清洗20 min，再用水对海绵经行超声清洗20 min，之后放入烘箱中烘干。将聚二乙烯基苯研磨成粉末，取1.5g放入80ml无水乙醇中，超声搅拌20min。将海绵切成2*2*3 cm的长方体，放入悬浮液中，浸泡3 min，然后放入60℃烘箱中烘干。重复三次，即得超疏水海绵。
实施例5
附图3是和是超疏水海绵对水的湿润性行为，附图4是原始海绵对水的湿润性行为。可以看出，超疏水海绵上水滴以球形存在，甲苯被迅速吸收（甲苯用油红O染色，水用亚甲基蓝染色），而普通海绵则迅速吸收。
实施例6
油水分离测试：如附图5，将海绵放入油水混合液中，甲苯迅速被海绵吸收，水则无法进入海绵，从而达到油水分离。吸收的甲苯可以通过机械挤压，回收利用。
实施例7
气相甲苯静态吸附：称取一块2*2*2的超疏水海绵放入表面皿中，将液态甲苯装入烧杯中，二者放入密闭体系中，对该体系抽真空，在一定的时间间隔内称量吸附剂的增重情况，从而得到静态吸附容量。图6为不同吸附剂随时间变化对气态甲苯静态吸附图，图7为不同吸附剂气态甲苯 12 h 静态吸附量图。超疏水海绵对气态甲苯12h静态吸附量为1.7091 g/g，约为常用的吸附剂如活性炭的5.7倍、MCM-41 分子筛的 5.4 倍、SBA-15分子筛的 3.2倍。

Claims (8)

1.一种超疏水性海绵的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取2.0~4.0 g二乙烯基苯溶于16~64 mL有机溶剂中，再加入0~10 mL水，随后加入0.05~0.40 g引发剂，之后将该混合溶液室温搅拌3~5 h；
（2）将混合溶液放入带有聚四氟乙烯衬里的不锈钢反应釜中，置于80~120 ℃的烘箱中24~48 h；
（3）于室温下冷却，挥发有机溶剂和水，得到聚二乙烯基苯，研磨成粉末；
（4）将聚二乙烯基苯放入有机溶剂，在超声环境下搅拌，配置成不同浓度的聚二乙烯基苯悬浮液；所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮、甲醇、N，N-二甲基甲酰胺；
（5）将海绵放入悬浮液中，超声浸泡，之后放入烘箱中烘干，即得超疏水海绵。
2.根据权利要求1所述一种超疏水海绵的制备方法，其特征在于，步骤（1）中二乙烯基苯：有机溶剂：引发剂=1：8~16：0.025~0.05，所述引发剂为偶氮二异丁腈或三氟化硼乙醚；所述有机溶剂为四氢呋喃、乙酸乙酯或者丙酮。
3.根据权利要求1所述一种超疏水海绵的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述悬浮液浓度为10 g/L~25 g/L。
4.根据权利要求1所述一种超疏水海绵的制备方法，其特征在于，步骤（5）中海绵的负载量为60 %~90 % 。
5.根据权利要求1所述一种超疏水海绵的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，浸泡时间为2~5 min；烘箱温度为50~80℃。
6.由权利要求1~5任一项所述制备方法制备得到一种超疏水性海绵，其特征在于，超疏水海绵的接触角为154.4°，具有较高的机械强度，吸附容量大且可以重复使用，属于超疏水吸附材料。
7.权利要求6所述超疏水海绵应用于选择性吸附油。
8.权利要求6所述超疏水海绵应用于挥发性有机物的吸附。
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