CN109925747B - 一种紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料 - Google Patents

一种紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种新型的紫外光照可控制超疏水‑超亲水可逆转换的油水分离材料。其特征在于，将SnO2包覆的碳纤维布浸渍于一定浓度的正十八硫醇和乙醇混合溶液中，取出后在一定温度下干燥；利用正十八硫醇降低表面能，该材料兼备高分离效率和高循环稳定性的优点；紫外光照射1～3h后，材料的超疏水转变为超亲水性，同时保持超亲油性，然后将该超亲水、亲油材料放置于暗室中1天以上，材料会重新转变为超疏水性。特别是，借助机械泵等，该材料可应用于选择性、高效、快速油水分离装置，操作简单、成本低，易于规模化生产。

Description

一种紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离 材料
技术领域
本发明涉及一种油水分离材料，特别是紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料，在紫外光照控制和暗光条件下存放，该材料可在超疏水和超亲水之间进行多次转换。
背景技术
当前，海水的水体油类污染主要指来源于油船泄漏事故、海底采油及炼油厂、石油化工厂废水中的油类物质。油类污染物进入水体，其含量超过了水体的自净能力，会使水质的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低水体的使用价值和功能。油类物质在水体表面形成油膜，使得水体与大气隔绝，阻碍了氧气在水体中的溶解，导致了水中的含氧量降低，水生生物缺氧死亡，水质变黑变臭。传统的油污染处理方法包括焚烧、化学沉积、生物降解等，这些方法都具有成本高、效率低、易引发二次污染等缺点。
具有特殊浸润性的油水分离材料近年来引起了大量研究者的关注。构建合适的表面微纳结构以及化学组分是获得超疏水、超亲水、超疏油或者超亲油特性分离材料的有效方法。当材料同时具备超疏水和超亲油，就可实现对油水混合物的有效分离。然而，目前国际上报道的油水分离材料分离效率低下且功能单一，无法实现对超疏水-超亲水进行可逆转换的调控。
本发明提出一种新型的紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料。通过将SnO2包覆的碳纤维布浸渍于一定浓度的正十八硫醇和乙醇混合溶液中，取出后在一定温度下干燥就可制得。利用紫外光照射可以调节SnO2多孔膜的电子结构、表面结构，实现材料超疏水-超亲水可逆转变。通过正十八硫醇对材料表面进行化学组分处理，降低表面能。此外，利用脱水缩合的方式使膜层之间通过化学键结合，增强作用力，提高材料的稳定性和使用寿命。特别是，借助机械泵等，该材料可应用于选择性、高效、快速油水分离装置，操作简单、成本低，易于规模化生产。
发明内容
本发明的目的：该专利提出一种新型的紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料，该材料是通过正十八硫醇表面处理SnO2包覆的碳纤维布而获得，兼备了高油水分离效率和高循环稳定性的优点，循环分离150次或者持续分离100h后，分离效率仍保持在97％以上；通过紫外光控制可以实现对材料超疏水-超亲水的可逆转变，同时保持超亲油性，从而对不同溶液进行选择性分离；操作简单、成本低，易于规模化，对设计和制备高效稳定油水分离装置具有重要意义。
本发明的技术方案是：将SnO2包覆的碳纤维布浸渍于一定浓度的正十八硫醇和乙醇混合溶液中，取出后在一定温度下干燥。
作为最佳反应参数，正十八硫醇乙醇混合溶液是将一定量正十八硫醇溶于乙醇中，需要在室温下磁力搅拌2～3h，正十八硫醇在混合溶液中的最佳浓度为10～50mM。
作为最优条件，SnO2包覆的碳纤维布在混合溶液中浸渍时间为0.5～5h，取出后在烘箱中60～80℃鼓风干燥2h以上。
作为最优条件，紫外光照射该材料1～3h后，超疏水转变为超亲水性，同时超亲油性保持；然后，将该超亲水、亲油材料放置于暗室中1天以上，材料会重新转变为超疏水性。
作为最优条件，紫外光照射的波长为365nm，功率为20～50mW/cm2。
本发明制得一种新型的紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料，通过紫外光照射调控SnO2表面的电子结构和材料结构，实现超疏水-超亲水之间的可逆转换。借助机械泵等，制备的紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料，可应用于选择性、高效、快速的油水分离装置。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出了一种制备紫外控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料的新思路。
(2)制备的油水分离材料具有高效的油水分离效率而且抗酸腐蚀高、使用寿命长。
(3)与其它方法相比，该制备方法具有以下独特优点：
①实验装置、实验条件和制备过程非常简单，容易操作；
②成本低廉，易于控制及规模化，具有良好的工业化应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的正十八硫醇表面改性SnO2@碳纤维布油水分离材料(a-d)分别针对不同pH值溶液的接触角测量结果；(e)为实施例2样品对水的接触角情况。
图2为实施例1制备材料的油水分离效率及循环稳定性测试图。
图3为实施例4获得样品的超疏水-超亲水可逆转换的测试图。
图4为实施例5借助机械泵，材料应用于持续性高效油水分离装置的图片。
具体实施方式
本发明提出一种新型的紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料，具体实施方式如下：
实施例1
正十八硫醇表面改性SnO2@碳纤维布油水分离材料的制备：将1.5g正十八硫醇溶于500ml乙醇中，在室温下磁力搅拌2h。将SnO2包覆的碳纤维布浸渍于制备的正十八硫醇和乙醇混合溶液中浸泡1h，最后，将样品取出后在烘箱中60℃鼓风干燥，并将这一步骤重复5次。
图1为实施例1制备的正十八硫醇表面改性SnO2@碳纤维布油水分离材料分别针对不同pH值溶液的接触角测量结果以及在浓盐酸中浸泡后对水的接触角情况。图1a显示，该油水分离材料对浓盐酸(pH＝1)和去离子水(pH＝7)均表现出了超疏水性，具体来说，对盐酸(pH＝1)的接触角为154.7°(图1b)，对去离子水(pH＝7)的接触角为153.2°(图1c)。然而，当滴加的液滴为NaOH的强碱溶液(pH＝14)时，其在该材料表面的接触角变为0°(图1d)。
图2为实施例1制备的正十八硫醇表面改性SnO2@碳纤维布的油水分离效率测试结果。可以看到，该材料对水和有机溶剂(红色)表现出了不同的选择性。水无法通过(图2a和2c)，而油或者有机溶剂可以自由通过(图2b、2d和2e)。尤其是，油水分离效率达到了97％以上。经过超过150次的循环油水分离过程，分离效率仍然保持在97％，水接触仍维持在150°以上。以上结果表明，该油水分离材料具备高循环使用寿命。
实施例2
将正十八硫醇表面改性SnO2@碳纤维布油水分离材料在pH＝1的浓盐酸溶液中浸泡24h后，取出清洗烘干。
实施例3
将正十八硫醇表面改性SnO2@碳纤维布油水分离材料放入NaOH的强碱溶液(pH＝14)浸泡24小时后，取出清洗烘干。
对实施例2的样品重新测量接触角，纯水的接触角变为151.6°(图1e所示)，这与未浸泡(153.2°)相比，接触角度变化不大。
对实施例3的样品重新测量接触角发现，超疏水性被破坏了。
以上结果说明，该材料具备了非常稳定的超疏水性和强耐酸腐蚀性，可以在酸性环境下保持良好的超疏水性。
实施例4
紫外光照控制超疏水-超亲水可逆转换：将正十八硫醇表面改性SnO2@碳纤维布油水分离材料在紫外光下照射2h，紫外光照射的波长为365nm，功率为25mW cm-2，然后，再将照射后的材料放置于暗室中1天。
图3为实施例4获得样品的超疏水-超亲水转换测试结果。该材料在紫外光照射2小时后，水接触角由153.2°变为0°，从超疏水转变为超亲水，油和水均可以自由通过。将材料洗涤烘干，放置于暗室中1天，水接触角重新恢复到153°，从超亲水转变为超疏水。
由此可见，这种超疏水-超亲水转换可以通过在紫外光照控制和暗光条件下存放进行多次实现。
实施例5
借助机械泵，将正十八硫醇表面改性SnO2@碳纤维布应用于持续性油水分离装置。
图4为实施例5的分离装置图，所制备的超疏水@碳纤维布复合材料通过管道与泵连接，形成可持续进行油水分离的装置。抽水泵可提供负压，为抽取油水混合物提供动力，该材料固定于管道另一端，充当滤膜，可以选择性的将油抽走，实现油水分离。
通过泵的持续抽取，能够实现对油水混合物的持续、高效分离。

Claims (2)

1.一种紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料，其特征在于，将SnO2包覆的碳纤维布浸渍于一定浓度的正十八硫醇和乙醇混合溶液中，取出后在一定温度下干燥；
正十八硫醇乙醇混合溶液是将一定量正十八硫醇溶于乙醇中，需要在室温下磁力搅拌2～3h，正十八硫醇在混合溶液中的浓度为10～50mM；
SnO2包覆的碳纤维布在混合溶液中浸渍时间为0.5～5h，取出后在烘箱中60～80℃鼓风干燥2h以上；
干燥后制得的油水分离材料具有超亲油和紫外光控制超疏水/超亲水可逆转换的特性：紫外光照射该材料1～3h后，超疏水转变为超亲水性，同时超亲油性保持；然后，将该超亲水、亲油材料放置于暗室中1天以上，材料会重新转变为超疏水性；
紫外光照射的波长为365nm，功率为20～50mW/cm2。
2.一种如权利要求1所述的紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料的应用，借助机械泵，制备的紫外光照可控制超疏水-超亲水可逆转换的油水分离材料，可应用于选择性、高效、快速的油水分离装置。
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