CN109985529A - 一种两亲性油水分离滤膜的制备方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两亲性油水分离滤膜的制备方法和使用方法，该分离膜不仅具有空气中超双亲的特征（超亲水和超亲油），而且具有水下超疏油、油下超亲水性能，其能够仅在重力驱动下进行油水分离和乳液分离，且具有较高的通量和分离效率。另外，由于其油下超亲水特性，使其抗污染能力较强，在水中可以达到自清洁油性污染物的良好效果。该法制备获得的纳米纤维膜具有工艺简单，操作方便，材料来源丰富、环保、可再生，化学稳定性好，可在苛刻酸碱等环境下重复使用等优点。

Description

一种两亲性油水分离滤膜的制备方法和使用方法

技术领域

本发明涉及水污染处理材料，特别是涉及一种两亲性油水分离滤膜的制备方法和使用方法。

背景技术：

静电纺丝技术制成的纳米纤维膜用于油水分离领域已经得到广泛的关注，例如制备聚偏氟乙烯、聚苯烯腈、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯以及无机二氧化硅等纤维膜都已经有所报道。但这些纤维存在分离速度慢、分离效率低、稳定性差、容易产生二次污染等缺点。因此如何制备拥有良好综合性能的油水分离膜仍是具有挑战性的问题。本发明提出的是一种仅靠重力驱动就可以使油水得到高效分离，且具有自清洁能力从而避免二次污染的纳米纤维油水分离膜的制备方法，旨在提供一种具有使用简便、高效、且自清洁能力强等优点的多功能应用的油水分离膜。本技术制备的CA纳米纤维膜具有双亲性，另外，基于极性基团大量存在，使其具有更优异的亲水性能，因此具有水下超疏油、油下超亲水特性，成为具有优异自清洁能力的油水分离膜，避免二次污染。同时该膜具有较高的分离通量和分离效率，且能够用于油水的乳液分离。在污水处理、化工厂等油水分离以及自清洁材料领用具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种两亲性油水分离滤膜的制备方法和使用方法，该种滤膜有空气中超双亲的特征（超亲水和超亲油），而且具有水下超疏油、油下超亲水性能，其能够仅在重力驱动下进行油水分离和乳液分离，且具有较高的通量和分离效率。

为实现本发明的目的采用的技术方案是：

一种两亲性油水分离滤膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一) 纺丝溶液配制：称取醋酸纤维素，溶于丙酮和N,N-二甲基乙酰胺的混合溶剂中，获得均一的纺丝溶液;

步骤二) CA纳米纤维膜制备：通过湿式静电纺丝技术制备获得CA纳米纤维膜；

步骤三) CA纳米纤维膜预处理：将CA纳米纤维膜放入NaOH溶液中，在室温下静置1-10h后取出，去离子水清洗，再真空干燥，即获得具有自清洁能力的油水分离滤膜。

进一步的改进，所述纺丝溶液中醋酸纤维素的浓度为0.15-0.2g/mL

进一步的改进，所述步骤一)中丙酮和N,N-二甲基乙酰胺的体积比为2:1

进一步的改进，所述步骤二）静电纺丝的过程中针头内径0.52mm，纺丝电压为15-20kV，接收距离为10-20cm，注射速度为0.5-1.0mL/h。

进一步的改进，所述步骤三）中NaOH溶液浓度为0.2-0.8mol/L。

两亲性油水分离滤膜的使用方法，包括如下步骤：

步骤一）根据要分离的油水混合物的组分，先将分离滤膜浸润；若要除去水则使用水浸润分离滤膜，若要除去油则使用油浸润分离滤膜；

步骤二）使油水混合物在自身重力的作用下通过分离滤膜，即除去油水混合物中的水或油。

本发明所述的油水分离膜具有如下优点：

（1）由于其油下超亲水特性，使其抗污染能力较强，在水中可以达到自清洁油性污染物的良好效果。

（2）具有制备工艺简单、操作方便、材料来源丰富、环保、可再生、价格便宜、化学稳定性好等优点；

（3）不仅具有空气中超双亲特征（超亲水和超亲油），而且具有水下超疏油、油下超亲水性能；

(4)仅在重力驱动下除水通量高达29000L/m²·h，除油通量高达38000L/m²·h，分离效率高达99.9%, 具有较高的油水分离通量和分离效率。并且仅在重力驱动下就可以完成乳液分离，分离效率高达99.8%。

(5) 重复实用性较强，分离次数对分离效率和分离通量无影响，不存在分离膜的二次污染问题。

(6) 具有良好的化学耐久性(耐酸﹑耐碱)，可适应于化学恶劣环境使用。

附图说明

图1. CA纳米纤维膜预处理前(a)﹑后(b)的SEM图

图2. CA处理膜的润湿性.((a)空气中水和石油醚的接触角；(b)水中石油醚接触角和石油醚中水的接触角；(c)各种水中油的接触角).

图3.不同种类油水混合物分离通量.

图4. (a)不同种类油水混合物分离效率; (b)分离效率与循环次数的关系(以石油醚/水混合物为例).

图5.花生油/水(1:100)乳液过滤效果图.

图6. CA处理膜的油污自清洁效果图.

图7. CA处理膜用于分离石油醚和不同腐蚀性溶液的化学耐久性. (a:原CA处理膜；b:1M HCl; c:1M NaOH; d:1M NaCl)。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明作更详细说明或描述，而不是对本发明进行限制。

一种具有较高分离通量和分离效率，较强自清洁能力的多功能环保油水分离膜的制备方法，包括如下步骤：

(1) 纺丝溶液配制：将2.55 g CA在60℃下震荡溶解于15 mL丙酮/DMAC（2:1，v/v）混合溶剂, 获得均一的纺丝溶液;

(2) CA纳米纤维膜制备：将上述步骤(1)中制备的纺丝溶液装入带有纺丝针头的10 ml注射器中，将注射器安装于微量注射泵，将连接注射器的针头(内径0.52mm)与高压发生装置相连，在纺丝电压为15-20 kV，接收距离为10-20cm，注射速度为0.5-1.0mL/h条件下，制备获得CA纳米纤维膜；

(3) CA纳米纤维膜预处理：配制0.5M/L的NaOH稀溶液，将CA纳米纤维膜放入上述溶液，在室温下静置1-10 h取出，去离子水清洗3-5次，真空干燥，获得具有良好综合性能的油水分离膜。

为了更好的说明本发明，结合附图，详细介绍本发明实施例1所得油水分离膜的特性：

图1给出了CA纳米纤维膜预处理前后的SEM图。从图1可以看出，CA纳米纤维膜预处理后其仍然保持良好的纤维形态，说明纤维膜的NaOH溶液预处理过程对纤维形态没有明显影响。

图2为空气中和液体中CA处理膜的润湿性能。由图2(a)可知，在空气中当石油醚或水分别滴入CA处理膜时，其迅速铺展并渗透到膜中，接触角为0°，说明该膜在空气中具有良好的双亲性能（超亲水和超亲油）。由图2(b)可知，在油下测试水接触角时，其水滴迅速渗透到膜内，其接触角为0°；在水下测试石油醚的接触角时，其接触角高于130°。说明该膜具有水下超疏油，油下超亲水性能。由图2(c)可知，CA膜对各种类型的油（如煤油，正己烷，石油醚，甲苯，花生油，氯仿和四氯化碳）都表现出水下超疏油性能，水下油接触角都大于130°，花生油高达154°。

图3为不同种类油水混合物仅在重力作用下的分离通量。基于CA处理膜的双亲性，利用该膜油水分离前，若先用油预浸润，可用作除油膜，若先用水预浸润，可用作除水膜。由图3可知，采用该CA膜进行油水分离时，除水分离通量高达29000L/m².h，除油分离通量高达高达38000L/m².h，表明该膜仅在重力下就具有优异的分离通量。

图4(a)给出了不同种类油水混合物的分离效率。基于CA处理膜的双亲性，利用该膜油水分离前，若先用油预浸润，可用作除油膜，若先用水预浸润，可用作除水膜。由图4(a)可知，采用该CA处理膜进行油水分离时，水的分离效率和油的分离效率都高于99.5%，甚至一些油水混合物的分离效率高达99.9%，表明具有优异的分离效率。图4(b)为以石油醚/水混合物为例研究循环次数对分离效率的影响。由图4(b)可知，在最初的20次分离过程中，分离效率随着分离次数的增加由98.5%增加至99.8%，随后，随着分离次数的增加，分离效率一直维持在99.8%，没有明显变化。在循环50次之后，CA处理膜仍保持较高的分离效率。这表明所制备的CA处理膜不存在二次污染性，具有良好的重复利用性。

图5为花生油/水(1:100)乳液分离效果图。由图可知，采用CA处理膜进行乳液分离后，乳液由乳白色转变成无色透明，过滤后其油颗粒基本消失，表明CA处理膜仅在重力作用下对乳液具有良好的分离效果。同时，通过COD测定仪得到CA处理膜对花生油/水乳液的分离效率为99.8%。

图6为CA处理膜油污自清洁效果图。由图6可以看出，当CA处理膜放入花生油中，其完全被花生油浸润，但是，当把其放入水中时，花生油被完全排挤出CA处理膜，油颗粒漂浮于水溶液中，CA纤维膜中油污全部被除去，干燥后与原始膜相比没有明显变化。说明CA处理膜具有良好的油污自清洁性能，能够良好的避免油水分离应用中的二次污染。

图7给出了CA处理膜循环分离不同腐蚀性溶液(1M HCl，1M NaOH和1M NaCl)与石油醚混合物的SEM图，循环次数为10次。由图7可知，分离腐蚀性溶液10次后，CA处理膜的纤维形态几乎没有明显变化，表面CA纤维膜具有良好的耐酸﹑耐碱性，可以适应于化学恶劣环境。

Claims (6)

1.一种两亲性油水分离滤膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一) 纺丝溶液配制：称取醋酸纤维素，溶于丙酮和N,N-二甲基乙酰胺的混合溶剂中，获得均一的纺丝溶液;

步骤二) CA纳米纤维膜制备：通过湿式静电纺丝技术制备获得CA纳米纤维膜；

步骤三) CA纳米纤维膜预处理：将CA纳米纤维膜放入NaOH溶液中，在室温下静置1-10h后取出，去离子水清洗，再真空干燥，即获得具有自清洁能力的油水分离滤膜。

2.如权利要求1所述的一种两亲性油水分离滤膜的制备方法，其特征在于，所述纺丝溶液中醋酸纤维素的浓度为0.15-0.2g/mL。

3.如权利要求1所述的一种两亲性油水分离滤膜的制备方法，其特征在于，所述步骤一)中丙酮和N,N-二甲基乙酰胺的体积比为2:1。

4.如权利要求1所述的一种两亲性油水分离滤膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二）静电纺丝的过程中针头内径0.52mm，纺丝电压为15-20 kV，接收距离为10-20cm，注射速度为0.5-1.0mL/h。

5.如权利要求1所述的一种两亲性油水分离滤膜的制备方法，其特征在于，所述步骤三）中NaOH溶液浓度为0.2-0.8mol/L。

6.一种两亲性油水分离滤膜的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一）根据要分离的油水混合物的组分，先将分离滤膜浸润；若要除去水则使用水浸润分离滤膜，若要除去油则使用油浸润分离滤膜；

步骤二）使油水混合物在自身重力的作用下通过分离滤膜，即除去油水混合物中的水或油。