CN110833708A - 一种MXene基高效油水分离海绵的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面修饰MXene/十四胺的三聚氰胺海绵。我们以三聚氰胺海绵为基体，利用溶液浸渍法，在海绵表面修饰MXene构建微/纳结构；然后将十四胺接枝到MXene表面进行表面改性，最终获得具有超疏水‑超亲油性能的高效油水分离海绵。本发明操作方法简单，原料易得，最终制备的油水分离海绵对不同油品具有优异的吸收性能及良好的循环利用性，可实现对不同油水混合物的高效分离与回收，缓解了生态环境的巨大压力。

Description

一种MXene基高效油水分离海绵的制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种表面修饰MXene/十四胺的油水分离海绵及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

随着能源需求的增长，石油工业以及海上运输业发展迅猛，导致海上油类泄露事故频繁发生，对自然水体造成严重破坏，导致生态环境污染问题日益严重。因此如何快速高效的对含油污水进行分离已经引起了广泛的关注。相较传统的吸附材料而言，多孔结构的海绵具有孔隙率高、比表面积大、性价比高，而且制备工艺简单等优点。另外海绵可提供较高的油品存储空间，有利于不同油品的吸附与回收，是一类绿色高效的油水分离材料，在油水分离领域具有重大的工业应用价值。

近年来，人们利用海绵的三维多孔粗糙结构结合材料表面的润湿性，通过不同的方法对海绵表面进行改性，可以制备出具有优异性能的超疏水-超亲油海绵。祝青等人通过在聚氨酯海绵表面上化学镀铜，并修饰月桂酸进行表面疏水改性，制备了具有超疏水-超亲油特性的复合材料，可实现对油水混合物进行选择性分离，但该海绵在反复使用过程中，表面修饰物质容易脱落，循环使用性能较差(The Journal of Physical Chemistry C,2011,115(35):17464-17470.)。程千会等人利用水热法将纳米氧化锌涂覆在聚氨酯海绵表面，然后用十六烷基三甲氧基硅烷进行表面疏水改性，成功制备出具有超疏水-超亲油的聚氨酯复合海绵。该海绵重复使用200次后表面仍无明显变化，显示出优异的循环使用性能，但海绵却存在吸油能力低的问题(China Surface Engineering,2018,31(1):148-155.)。因此，亟需一种分离效率高且循环性能好的油水分离海绵。

本发明选取MXene作为海绵表面修饰材料，利用静电吸附作用将MXene修饰到三聚氰胺海绵表面，制备出具有微/纳表面粗糙度的海绵复合材料。然后选取十四胺对海绵进行表面疏水-亲油改性，利用MXene表面上羟基与十四胺上氨基之间的反应将十四胺接枝到MXene表面，获得具有超疏水-超亲油性且吸油能力强的表面修饰MXene/十四胺的三聚氰胺海绵。其制备方法简单易行，且拥有良好的循环使用性，在处理油水混合物中具有重大的参考价值和应用前景。

发明内容

本发明目的是采用一种简单的方法制备一种具有高吸油效率和良好循环性能的高效油水分离海绵。

下面简要阐明本发明的实现过程。我们通过将海绵在MXene分散液中浸渍，并采用重复挤压的方法使MXene通过静电吸附作用吸附到海绵表面，获得表面修饰MXene的三聚氰胺海绵。然后将制备好的MXene海绵浸入到十四胺溶液中，使十四胺接枝到MXene表面，进而获得具有超疏水-超亲油性能的高效油水分离复合海绵。

本发明涉及一种表面修饰MXene/十四胺的油水分离海绵，其通过以下具体步骤实现：

(1)将三聚氰胺海绵切割成1×1×1立方厘米的正方体，依次放入丙酮、去离子水中各超声一定时间，然后在一定温度条件下真空干燥，得到干净的海绵。

(2)制备少层MXene纳米片：将Ti₃AlC₂-MAX粉末添加到氢氟酸溶液中搅拌均匀，实现对Ti₃AlC₂-MAX粉末的刻蚀，并多次离心获得刻蚀后的多层MXene纳米片。然后剥离多层MXene以减小MXene的厚度，将少层MXene多次离心、洗涤、干燥，最后获得少层MXene纳米片。

(3)将少层MXene纳米片配制成一定浓度的分散液，然后将步骤(1)中的干净海绵浸入到所制分散液中，通过挤压的方式在溶液中浸泡一定时间，然后冷冻干燥。

(4)配制十四胺溶液：取一定量的十四胺经超声分散溶于乙醇，获得均匀的十四胺溶液。

(5)将步骤(3)的产物浸入步骤(4)的溶液中，并在溶液中挤压浸泡，取出后在一定温度条件下真空反应干燥。

(6)将步骤(5)的产物放入乙醇中浸泡一定时间，并挤压清洗多次。最后在一定温度下真空干燥，获得高效油水分离海绵。

本发明的目的是采用一种简单的方法制备一种具有高效油水分离性能和循环性能的油水分离复合海绵，其在处理含油污水方面具有很大的应用价值。

附图说明：

附图1为依据本发明所提供的三聚氰胺复合海绵的扫描电子显微镜图片。其中，左图是低倍数下复合海绵表面的SEM图，右图是高倍数下复合海绵表面微观结构的SEM图。

附图2为油水分离海绵在空气中的水接触角图。

附图3为油水分离海绵吸附四氯化碳过程示意图。

附图4为油水分离海绵吸附菜油过程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施来详细描述本发明。

(1)MXene制备：将0.18克Ti₃AlC₂-MAX粉末加入到1.80克浓缩氢氟酸溶液中，然后在40摄氏度下搅拌30小时。通过5次离心(每次离心转速为8000转/分，时间为10分钟)获得刻蚀后的多层MXene纳米片。之后，通过多层MXene纳米片在250毫升高极性N,N-二甲基甲酰胺中超声处理3小时，进行剥离(没有气体保护)。最后，将所得悬浮液多次离心(每次离心转速为12000转/分，时间为20分钟)，用去离子水洗涤并在真空干燥箱中干燥(温度为45摄氏度，时间为8小时)，最后获得少层的MXene纳米片；

(2)将6毫克少层MXene纳米片分散于100毫升水中，超声10分钟，获得均匀的分散液。然后将清洗后的三聚氰胺海绵浸入MXene分散液中，在室温下轻轻挤压浸泡10分钟，放入冷冻干燥机中干燥12小时，得到表面修饰MXene的三聚氰胺海绵；

(3)称取10毫克十四胺固体，在室温下加入到100毫升无水乙醇中，超声处理10分钟，待十四胺完全溶解后，得到均匀的十四胺溶液；

(4)将步骤(2)制备的海绵浸入十四胺溶液中，在室温下轻轻挤压浸泡10分钟。然后将浸泡后的海绵在60摄氏度的真空条件下反应干燥12小时，得到表面修饰MXene/十四胺的复合海绵；

(5)将步骤(4)的产物放入乙醇中浸泡5分钟，并挤压清洗3次。最后在60摄氏度条件下真空干燥12小时，最终获得MXene基高效油水分离海绵。

附图1给出了表面修饰MXene/十四胺的三聚氰胺复合海绵的扫描电子显微镜图片，从图中可以看到，海绵表面具有褶皱凸起，二维片层褶皱结构尺度在1微米左右。

附图2给出了高效油水分离海绵在空气中的静态水接触角(大于150度)。

附图3给出了高效油水分离海绵浸入油水混合物底部后对四氯化碳(苏丹红染色)实现快速吸收的过程图。

附图4给出了高效油水分离海绵放在油水混合物表面后对菜油(苏丹红染色)实现快速吸收的过程图。

Claims (5)

1.一种表面修饰MXene/十四胺高效油水分离海绵的制备方法，其特征在于具体步骤为：

(1)将Ti₃AlC₂-MAX粉末添加到氢氟酸溶液中搅拌均匀，实现对Ti₃AlC₂-MAX粉末的刻蚀，并多次离心获得蚀刻后的多层MXene纳米片。然后剥离多层MXene以减小MXene的厚度，将少层MXene多次离心、洗涤、干燥，最后获得少层MXene纳米片；

(2)将制备的少层MXene纳米片分散于于去离子水中，经超声分散均匀，然后把干净的三聚氰胺海绵在溶液中挤压一定时间，取出海绵后冷冻干燥一定时间，得到表面修饰MXene的海绵；

(3)将十四胺经超声溶于乙醇，获得十四胺溶液。然后将步骤(2)制得的海绵浸入到所制溶液中挤压一定时间，取出后真空干燥一定时间，得到表面修饰MXene/十四胺的高效油水分离海绵。

2.依据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中Ti₃AlC₂-MAX粉末与氢氟酸溶液质量比为1:10；在40摄氏度下进行搅拌刻蚀30小时；经过多次离心(每次离心转速8000转/分，时间为10分钟)，每次用去离子水做溶剂；剥离多层MXene是在250毫升高极性N,N-二甲基甲酰胺中超声处理3小时进行剥离，没有气体保护；多次离心的离心转速为12000转/分，时间为20分钟，用去离子水洗涤，在45摄氏度下真空干燥8小时。

3.依据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中MXene分散液的浓度为0.06毫克/毫升；超声分散10分钟；挤压10分钟；冷冻干燥24小时。

4.依据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中十四胺溶液的浓度为0.1毫克/毫升；挤压10分钟；60摄氏度下真空干燥12小时。

5.依据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于：所制备的表面修饰MXene/十四胺的高效油水分离海绵在空气中的水接触角大于150o；对于各类油类和有机溶剂的吸附量到达自身重量的60-120倍。

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