CN113521882A - 一种基于无尘纸的柔性水处理材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无尘纸的柔性水处理材料及其制备方法，属于精细化工分离领域。本发明提供一种制备简单、基材柔性优异、可随身携带、重复使用率高、对油性物质低粘附性的无尘纸上制备油水分离涂层的方法。本发明方法如下：将纳米氧化锌、异丙醇、两性离子氟碳表面活性剂混合，磁力搅拌，得到乳液；将无尘纸浸渍在乳液中，待完全浸润后，取出后干燥，即完成。本发明方法制备的油水分离无尘纸涂层单次分离效率可达99％，且对油性物质对无尘纸涂层不粘附，对产生的二次污染几乎为0。

Description

一种基于无尘纸的柔性水处理材料及其制备方法
技术领域
本发明属于精细化工分离领域；具体涉及一种基于无尘纸的柔性水处理材料及其制备方法。
背景技术
近年来，海洋石油泄漏，工业含油污水排放，实验室废液、就餐油性物质等的分离处理要求以及人们渴望环保的生活意识逐渐提高，因此是人们当前关注的主要问题之一。由于其废油是由各种油及水组成的混合物，尤其混合物中非极性油的占比较大，其成分复杂难以分离，如：工业油污水含有大量的高毒性、致癌的长碳链烷烃油状化合物，其对环境危害极大。现今有很多技术专利如在铜网上、铝合金等金属基底上制备油水分离的涂层，但投入的成本较大且该种类基底制备的涂层柔性较差，破坏后不易处理回收，且油成分极易黏附在涂层表面，造成涂层孔隙的极大污染、堵塞及分离通量的下降，例如专利CN108771885中使用的油水分离是由烧结的铜网作为基底，易导致上述产生的问题。用常规的物理方法如吸附、萃取、蒸馏等常常需要大型设备，常规的化学方法采用化学试剂驱散、焚烧、撇油器收集等，费时费力费能耗，极易造成资源浪费、环境污染及经济损失，给人类健康带来直接或者间接的危害，极大影响人类正常的生产生活。如何简单、低成本、无能耗地高效率进行油水分离净化是研究人员持续关注的热点。
现有技术存在的缺点：
(1)当前研究疏水亲油的涂层较多，相比亲水疏油涂层而言，其缺点有：a)涂层易被油性物质堵塞孔道，降低水的通量；b)容易被油性物质污染，损坏表面。c)因水密度较油性物质大导致油水难以分离。
(2)油水分离产生的高能耗、程序繁琐等问题；传统的油水分离涂层常常是极易粘附污染物、柔性差，油水分离过程极易造成涂层破坏，不易二次使用。
发明内容
本发明提供一种针对非极性油混合物的分离技术，其成本低、制备简单、使用简便、易生物降解对环境无公害的制备方法，即在无尘纸上涂覆油水分离涂层的制备方法，所制备的亲水疏油无尘纸涂层具有优异柔性(经多次弯曲其油水分离效率依旧良好)、可拉伸、重量轻(每平方分米仅0.6克)、可重复使用且重复使用率高、可随身携带、对油性物质低粘附性等特点。
为解决现有技术存在的技术问题，本发明中一种基于无尘纸的柔性水处理材料是将无尘纸浸渍在按质量百分比由3％-6％纳米氧化锌、80％-92％异丙醇和4％-6％两性离子氟碳表面活性剂配制的乳液中，待完全浸润，取出后干燥获得的；具体的制备方法是按下述步骤完成的：
步骤一、按重量百分比将3％-6％纳米氧化锌、80％-92％异丙醇、4％-6％两性离子氟碳表面活性剂混合，磁力搅拌，得到乳液；
步骤二、将无尘纸浸渍在步骤一获得的乳液中，待完全浸润后，取出后干燥，即完成。
进一步地限定，步骤一所述纳米氧化锌粒径为10nm-50nm。
进一步地限定，步骤一所述的两性离子氟碳表面活性剂为两性离子氟碳表面活性剂SM-FC-80或者两性离子氟碳表面活性剂FS-50。
进一步地限定，步骤一中以800rpm-1000rpm的转速磁力搅拌2h-6h。
进一步地限定，步骤二所述无尘纸种类是胶合无尘纸、热合无尘纸、综合无尘纸其中的任意一种。
进一步地限定，步骤二中室温下浸渍，浸渍时间为1h-2h。
进一步地限定，步骤二中干燥是在烘箱40℃环境下干燥6h或室温条件下晾至12h。
本发明步骤二中采用喷涂法替换浸渍法制备涂层，采用喷枪将步骤一获得的乳液喷涂在无尘纸上，经过多次喷涂使得无尘纸完全润湿后，将其放在烘箱40℃环境下干燥6h或室温条件下晾至12h即可。
本发明中以纳米氧化锌粒子作为构建涂层表面粗糙结构的微单元，以两性离子氟碳化合物作为降低表面张力的表面活性剂以及在ZnO粒子表面引入具有双疏(疏水疏油)特性的碳氟基团及亲水性的离子，并选择具有亲水性的微孔通道无尘纸作为基底，以上述成分及结构来构建亲水疏油涂层。
本发明使用的纳米氧化锌粒子绿色环保，具有良好的抗菌、抑菌作用，降低无尘纸涂层的污染。
本发明使用的两性离子氟碳化合物可以极大地降低溶剂的表面张力，使得涂层与无尘纸基底更好的结合，且在酸性与碱性条件下性能都有长期稳定性，异丙醇与两性离子氟碳化合物结合可极大增强其有效表面活性，使用前用异丙醇将其稀释成4％-6％(占反应体系4wt％-6wt％)左右的溶液其性能更佳(由表1可知)，异丙醇在体系中可极大提高纳米氧化锌在乳液中的分散性，使得氧化锌粒子均匀分布在涂层表面。本发明方法改性无尘纸亲水疏油机理见图1。
表1异丙醇不同质量占比涂层的分离效率
Figure BDA0003149623030000031
本发明所使用无尘纸作为油水分离的基底，其廉价易得、柔性好、可拉伸、易储藏，如若涂层被破坏，可重新采取浸渍或喷涂方式制备亲水疏油的涂层，因此基底无尘纸可重复使用。
本发明所制备的亲水疏油涂层组成简单、无能耗、制备简单、分离效率高，环境友好。
本发明制备的无尘纸亲水疏油涂层可归纳为两步法制备，制备方法简单可靠即第一步为溶液配制，第二步为亲水疏油涂层制备；本发明方法制备的油水分离无尘纸涂层单次分离效率可达99％，且对油性物质对无尘纸涂层不粘附，对产生的二次污染几乎为0。
附图说明
图1为浸渍法制备油水分离涂层制备机理图；
图2是浸渍法制备油水分离涂层的流程图；
图3是浸渍法制备的胶合无尘纸油水分离涂层的应用，图3(a)为水与食用油混合物的分离过程，图3(b)为水与长碳链烷基油状化合物分离过程；
图4是不同性质的液体与涂层接触角；图4(a)为长碳链烷基油与无尘纸涂层接触角约为120°，(b)为食用油与无尘纸涂层接触角约为130°，(c)为水在无尘纸涂层0.5秒时的接触角为5°，(d)为水在无尘纸涂层1秒时的接触角为0°；
图5是50ml长碳链烷基油与400ml罗丹明B染色水组成混合物的分离步骤及效果图；
图6是20ml长碳链烷基油与20ml罗丹明B染色水组成混合物的分离步骤及效果图；
图7是使用本发明方法改性的的无尘纸涂层亲水疏油效果展示图；图(a)为用改性的无尘纸吸收染色水的效果图，改性的无尘纸几乎吸收了全部的染色水；图(b)为长碳链烷基油在改性无尘纸上的疏油效果展示图。
图8(a)、(b)为未浸渍氧化锌乳液的空白无尘纸SEM图，图8(c)、(d)为浸渍氧化锌乳液的无尘纸涂层SEM图。
具体实施方式
实施例1：本实施例中一种基于无尘纸的柔性水处理材料的制备方法流程如图2所示，具体是按下述步骤完成的：
步骤一、将4wt.％平均粒径为30nm的纳米氧化锌、90wt.％异丙醇、6wt.％两性离子氟碳表面活性剂SM-FC-80混合，以1000r/min转速磁力搅拌3h，得到乳液；
步骤二、将胶合无尘纸浸渍在步骤一获得的乳液中，浸渍温度为室温25℃，浸渍时间为2h，待完全浸润后，取出后放在烘箱40℃环境下干干燥6h，即完成，在无尘纸上获得涂层。
本实施例的浸渍法制备的胶合无尘纸油水分离涂层的应用如图3所示。图3(a)为水与食用油混合物的分离过程，图3(b)为水与长碳链烷基油状化合物分离过程,由图3可知，实现了油水分离。
不同性质的液体与实施例1方法获得涂层接触角如图4所示，其中图4(a)为长碳链烷基油与实施例1方法获得涂层的接触角约为120°，(b)为食用油与实施例1方法获得涂层的接触角约为130°，(c)为水在无尘纸涂层0.5秒时的接触角为5°，(d)为水在无尘纸涂层1秒时的接触角为0°。
图5为使用本发明其中一种实验室抽滤装置图，其中该装置演示的为长碳链烷基油与罗丹明B染色水组成混合物的分离步骤及效果图，其分离程序简单，可控易操作，经分离400ml染色水与50ml长碳链烷基油混合物，可见该装置与无尘纸的组合实现了接近99％的分离效率，其分离效果可见图5(c)、图5(d)。
图6为使用本发明其中一种实验室过滤装置图，其中该装置演示的为长碳链烷基油与罗丹明B染色水组成混合物的分离步骤及效果图，经分离20ml染色水与20ml长碳链烷基油混合物，可见该装置与无尘纸的组合实现了接近99％的分离效率，其分离效果可见图6(c)、图6(d)。
图7为使用本发明的无尘纸涂层亲水疏油效果展示图，图7(a)为用改性的无尘纸吸收染色水的效果图，改性的无尘纸几乎吸收了全部的染色水；图7(b)为长碳链烷基油在改性无尘纸上的疏油效果展示图，经轻微抖动无尘纸，油滴便迅速聚集，将其倒入烧杯，油滴在无尘纸上无任何粘附。
表2为制备的无尘纸柔性测试试验，经多次弯曲折叠或大力揉搓折叠，涂层的油水分离效率几乎不受影响，其揉搓次数与分离效率关系见下表2。
表2机械性能与分离效率关系
Figure BDA0003149623030000051
图8(a)、(b)为未浸渍氧化锌乳液的空白无尘纸SEM图，呈现纤维状的结构，图8(c)、(d)为浸渍氧化锌乳液的无尘纸涂层SEM图，氧化锌粒子填充分布均匀，涂层成膜较好。

Claims (10)

1.一种基于无尘纸的柔性水处理材料，其特征在于基于无尘纸的柔性水处理材料是将无尘纸浸渍在按质量百分比由3％-6％纳米氧化锌、80％-92％异丙醇和4％-6％两性离子氟碳表面活性剂配制的乳液中，待完全浸润，取出后干燥获得的。
2.如权利要求1所述基于无尘纸的柔性水处理材料的制备方法，其特征在于所述制备方法是按下述步骤完成的：
步骤一、按质量百分比将3％-6％纳米氧化锌、80％-92％异丙醇、4％-6％两性离子氟碳表面活性剂混合，磁力搅拌，得到乳液；
步骤二、将无尘纸浸渍在步骤一获得的乳液中，待完全浸润后，取出后干燥，即完成。
3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于步骤一中按质量百分比将4％纳米氧化锌、90％异丙醇、6％两性离子氟碳表面活性剂混合。
4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于步骤一所述纳米氧化锌粒径为10nm-50nm。
5.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于步骤一所述的两性离子氟碳表面活性剂为两性离子氟碳表面活性剂SM-FC-80或者两性离子氟碳表面活性剂FS-50。
6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于步骤一中以800rpm-1000rpm的转速磁力搅拌2h-6h。
7.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于步骤二所述无尘纸种类是胶合无尘纸、热合无尘纸、综合无尘纸其中的任意一种。
8.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于步骤二中室温下浸渍，浸渍时间为1h-2h。
9.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于步骤二中干燥是在烘箱40℃环境下干燥6h或室温条件下晾至12h。
10.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于步骤二中采用喷涂法制备涂层，采用喷枪将步骤一获得的乳液喷涂在无尘纸上，经过多次喷涂使得无尘纸完全润湿后，将其放在烘箱40℃环境下干燥6h或室温条件下晾至12h即可。
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