CN113546524A - 一种聚乙烯醇水凝胶漆涂覆的油水分离膜及其制备方法 - Google Patents

一种聚乙烯醇水凝胶漆涂覆的油水分离膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用溶剂调节氢键交联的策略，提出了一种聚乙烯醇水凝胶漆涂覆的油水分离膜及其制备方法，包括以下步骤：首先，将PVA和TA加入一定体积比的乙醇/水混合溶剂中，95℃加热搅拌6小时得到均匀的水凝胶涂料；然后将得到的PVA‑TA水凝胶涂料通过浸涂、喷涂、刷涂或剪切涂覆的方式作用于多孔基质膜(金属网、无纺布、滤纸、滤膜等)表面；最后，将得到水凝胶修饰的多孔基质常温下置于空气中2‑5h等待乙醇完全挥发后，得到可用于高效油水分离的超浸润(即超亲水‑水下超疏油)膜材料。

Description

一种聚乙烯醇水凝胶漆涂覆的油水分离膜及其制备方法
技术领域
本发明属于分离与纯化技术领域，涉及一种聚乙烯醇水凝胶漆涂覆的油水分离膜及其制备方法，且修饰后的膜材料具有超高的油/水分离效率及应用稳定性。
背景技术
工业含油废水排放和海上原油泄漏事故产生的油水混合物给环境保护带来了巨大的挑战，甚至影响到人类的健康和生物生存。近年来，具有特殊浸润性的功能化膜材料因其分离效率高、能耗低而被认为是一种更高效的水处理技术。油水分离本质上是一个界面问题，超亲水/超疏油材料在抗油污染方面比超疏水材料具有明显的优势，但制备过程更具挑战性，因为低表面张力的油容易在大多数固体表面扩散。因此，常用的材料是那些表面经过水预润湿后表现出超亲水/水下超疏油特性的材料。为了制备超亲水/水下超疏油功能性表面，各种表面修饰方法如化学腐蚀、电沉积、热处理等取得了广泛的进展。然而，这些方法通常是能源密集型的，并且制造过程只适用于实验室环境，给现实生活中的工业应用带来了挑战。
水凝胶涂覆的具有超润湿表面的多孔基质膜是油水分离的理想候选材料，但水凝胶的水膨胀倾向会使其机械强度和分离效率逐渐下降。此外，传统水凝胶涂层制备涉及繁重的工作量阻碍了概念验证试验向工业应用的转变。通常，浸涂、喷涂、刷涂或剪切涂覆被认为是制备大面积均匀涂层的有效技术。传统的制备聚合物水凝胶的方法往往涉及单体的聚合和交联，这不可避免的导致预凝胶溶液的粘度由于反应动力学的快速变化而增加。因此，水凝胶涂料通过普的涂料涂覆方法应用于多孔基底是极为困难的。
聚乙烯醇(PVA)已广泛应用于水凝胶的制备，相对于化学交联法，物理法制备的PVA水凝胶在抗膨胀方面更具优势，但在一步法制备水凝胶漆的过程中存在矛盾:在PVA和交联剂共溶解过程中，弱相互作用有利于保证水凝胶涂料的流动性从而通过简单的涂覆方式作用于基质表面；而强相互作用则有利于保证交联过程中水凝胶的高强度和稳定性。例如,少量的植物多酚单宁酸(TA)可以与PVA互溶但无法直接形成水凝胶；然而，当大量的TA和PVA共溶时，PVA与TA之间强烈的氢键作用会导致凝胶状沉淀物的产生，无法通过涂层的形式应用于基底表面。
在本发明中，提出了一种溶剂调控聚乙烯醇-单宁酸氢键交联制备水凝胶漆，并通过普通涂料的应用方式作用于多孔膜基底用于油水分离。具体来说，溶剂体系中的乙醇暂时阻碍了PVA和TA的强氢键交联形成均一的水凝胶涂料，避免沉淀的产生，可采用常见漆的涂覆方法应用在多孔基质膜表面。更重要的是，当作用于多孔基质膜表面的水凝胶漆中乙醇逐渐蒸发时，PVA和TA之间的氢键交联重新建立。所得水凝胶包覆膜具有稳定的溶胀体积、超高的强度和对各类油的稳定驱避性，且在重力驱动下具有较高的分离效率和长期的循环稳定性。
发明内容
本发明提供了一种聚乙烯醇水凝胶漆涂覆的油水分离膜及其制备方法。
本发明利用乙醇抑制PVA与TA在水溶液中强烈的氢键作用，制备均匀的水凝胶涂料。
本发明通过常见的油漆涂覆方式将水凝胶漆涂覆于多孔膜表面，待乙醇挥发后，在多孔基质表面形成水凝胶涂层应用于油水混合物的分离。
本发明通过调整PVA和TA的浓度，溶剂中乙醇和水的比例可以制备一系列具有不同涂层厚度和分离性能的油水分离多孔膜。
本发明技术方案如下：
一种聚乙烯醇水凝胶漆涂覆的油水分离膜及其制备方法，其制备过程和油水分离原理如图1和图2所示，包括以下步骤：
步骤1：首先，将1-5g PVA和1-5g TA加入90-98g乙醇/水体积比为3:7-5:5的混合溶剂中，95℃加热搅拌6小时得到均匀的水凝胶涂料。
步骤2：将步骤一得到的水凝胶涂料通过浸涂、喷涂、刷涂或剪切涂覆的方式作用于多孔基质膜(金属网、无纺布、滤纸、滤膜等)表面。
步骤3：将步骤2得到水凝胶修饰的多孔基质常温下置于空气中2-5h等待乙醇完全挥发后，得到可用于油水分离的膜材料。
综上所述，本发明的有益效果体现在：
1、本发明首次利用利用乙醇削弱水溶剂中PVA与TA的氢键作用，避免PVA与TA由于强氢键产生凝胶状沉淀形成均一涂料。
2.本发明制备的水凝胶涂层具有＞10MPa的抗张强度，水环境下溶胀体积稳定性及复杂环境下的应用稳定性。
3、所述的水凝胶漆可通过改变PVA和TA浓度，乙醇和水的比例控制水凝胶漆在不同多孔基质表面的涂覆，应用于不同类型和场景油水混合物的分离。
4、所制备的水凝胶包覆的多孔膜具有大于99％的油水分离效率和长期循环稳定性。
附图说明
图1本发明实施例1-3制备的聚乙烯醇-单宁酸水凝胶漆PVA-TA水凝胶的制备及应用方式.
图2本发明实施例1-3制备的聚乙烯醇-单宁酸水凝胶漆涂覆的油水分离膜原理。
图3本发明实施例1制备的聚乙烯醇-单宁酸水凝胶漆涂覆的油水分离膜的水下油接触角。
图4本发明实施例1制备的聚乙烯醇-单宁酸水凝胶漆涂覆的油水分离膜对不同种类油水混合物的分离效率和通量。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述对本发明做进一步说明，但这并非对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种变型或改性，只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
实施案例一
步骤1：将3g的PVA和3g溶于94g乙醇/水体积比为5∶5的混合溶剂中，95℃搅拌加热6h得到PVA-TA水凝胶漆。
步骤2：将步骤1得到的水凝胶漆通过浸涂的方式作用于300目不锈钢金属网膜表面，常温置于空气中待乙醇完全挥发，得到PVA-TA水凝胶包覆的不锈钢金属网膜材料。
步骤3：将步骤2得到的修饰后的不锈钢金属网作为膜材料，使用量筒式超滤杯在重力作用下进行不同油/水体积比为1∶3的混合油的分离。
得到的PVA-TA水凝胶修饰的不锈钢金属网油水分离通量大于6×104L m-2h-1，截留率大于99％，经过30个循环油水分离实验后，通量和截留率保持稳定。
实施案例二
步骤1：将4g的PVA和4g溶于92g乙醇/水体积比为5∶5的混合溶剂中，95℃搅拌加热6h得到PVA-TA水凝胶漆。
步骤2：将步骤1得到的水凝胶漆通过浸涂的方式作用于无纺布表面，常温置于空气中待乙醇完全挥发，得到PVA-TA水凝胶包覆的无纺布膜材料。
步骤3：将步骤2得到的修饰后的无纺布作为膜材料，使用量筒式超滤杯在重力作用下进行不同油/水体积比为1∶3的混合油的分离。
得到的PVA-TA水凝胶修饰的不锈钢金属网对不同油水分离通量大于5×104Lm-2h-1，截留率大于99％，经过30个循环油水分离实验后，通量和截留率保持稳定。
实施案例三
步骤1：将1g的PVA和1g溶于98g乙醇/水体积比为4∶6的混合溶剂中，95℃搅拌加热6h得到PVA-TA水凝胶漆。
步骤2：将步骤1得到的水凝胶漆通过喷涂的方式作用于不锈钢金属网表面，常温置于空气中待乙醇完全挥发，得到PVA-TA水凝胶包覆的不锈钢金属网膜材料。
步骤3：将步骤2得到的修饰后的不锈钢金属网作为膜材料，使用量筒式超滤杯在重力作用下进行不同油/水体积比为1∶3的混合油的分离。
得到的PVA-TA水凝胶修饰的不锈钢金属网对不同油的分离通量大于7×104L m- 2h-1，截留率大于99％，经过30个循环油水分离实验后，通量和截留率保持稳定。

Claims (4)

1.一种聚乙烯醇水凝胶漆涂覆的油水分离膜及其制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将1-5g PVA和1-5g TA加入90-98g乙醇/水体积比为3:7-5:5的混合溶剂中，95℃加热搅拌6小时得到均匀的水凝胶涂料。
步骤2：将步骤一得到的水凝胶涂料通过浸涂、喷涂、刷涂或剪切涂覆的方式作用于多孔基质(金属网、无纺布、滤纸、滤膜等)表面。
步骤3：将步骤2得到水凝胶修饰的多孔基质常温下置于空气中2-5h等待乙醇完全挥发后，得到可用于油水分离的膜材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1中得到的PVA-TA水凝胶涂料浓度为1％-5％，颜色为淡黄色。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：PVA-TA水凝胶涂层抗张强度＞10MPa，溶胀率为5％-16％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3中PVA-TA水凝胶漆对基底的包覆率为1％-5％。
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