CN114749033B - 一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法及应用 - Google Patents

一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法及应用，它涉及一种油水分离膜制备方法及应用。本发明要解决现有油水分离膜无法判断材料在工作过程中是否失效，无法评价膜的污染度，且失效后无法自清洁并重复利用的问题。方法：一、纳米氢氧化铜制备；二、水凝胶涂料的制备；三、油水分离膜的制备；制备的油水分离膜在油水分离过程中产生电流与电压信号，通过油水分离循环过程产生的电压和电流信号变化对油水分离膜是否失效进行实时监测；当油水分离膜因污染程度过高而失效时，其通过冲洗即可恢复至初始状态。油水分离膜应用：用于实时监测油水分离循环过程油水分离膜是否失效。

Description

一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法 及应用
技术领域
本发明涉及一种油水分离膜制备方法及应用。
背景技术
随着经济全球化和工业现代化的发展，工业和生活中大量的含油污水造成了严重的环境污染。此外，溢油事故和运输过程中的燃料泄漏也造成了资源的浪费和破坏。因此，开发能够有效分离油水混合物的技术和材料对可持续发展以及绿色地球建设具有重要意义。近年来，具有特殊润湿性的膜和水凝胶材料因其高分离效率和环保制备工艺而被认为是一种有效的油水处理技术。其中，超亲水/水下超疏油材料与超疏水材料相比，在抗油污、环境适应性和清洁性等方面表现出明显优势。因此，在用水预润湿后表现出超亲水/水下超疏油性能的材料被认为是大规模工业油水分离和废水处理应用的优秀候选材料。在众多基质材料中，多孔水凝胶因其具有良好的3维网络复合结构和较大的比表面积，从而吸引备受关注。
但这些材料在使用过程中还无法做到实时监控其污染程度，进而无法判断材料在工作过程中是否失效，不能满足实际生产过程中的需求。此外材料失效后无法重复利用，造成大量的资源浪费并大幅提升油水分离的成本。上述缺点阻碍了油水分离材料从实验室研发阶段向实际工业生产以及生活应用方向的转型。
发明内容
本发明要解决现有油水分离膜无法判断材料在工作过程中是否失效，无法评价膜的污染度，且失效后无法自清洁并重复利用的问题，进而提供一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法及应用。
一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法及应用，它是按以下步骤进行的：
一、纳米氢氧化铜制备：
将过硫酸钾溶液和氢氧化钠溶液混合均匀，得到混合溶液，将泡沫铜浸入到混合溶液中22h～26h，最后清洗，得到表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜；
二、水凝胶涂料的制备：
将聚乙烯醇和单宁酸溶解在去离子水-无水乙醇混合溶剂中，在温度为80℃～90℃及搅拌速度为1000r/min～1500r/min的条件下，磁力搅拌1h～2h，然后滴加多壁碳纳米管水分散液，并在温度为80℃～90℃及搅拌速度为1000r/min～1500r/min的条件下搅拌均匀，得到聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料；
所述的聚乙烯醇的质量与去离子水-无水乙醇混合溶剂的体积比为(0.8～1.2)g:40mL；所述的单宁酸的质量与去离子水-无水乙醇混合溶剂的体积比为(0.8～1.2)g:40mL；所述的多壁碳纳米管水分散液与去离子水-无水乙醇混合溶剂的体积比为(3～4.5):40；所述的多壁碳纳米管水分散液的质量百分数为10％～12.5％；
三、油水分离膜的制备：
将聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料均匀涂覆于表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜上表面及下表面，并干燥，然后重复上下表面涂覆5次～8次，得到样件，将样件置于去离子水中40h～56h，得到具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜；
所述的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在油水分离过程中产生电流与电压信号，通过油水分离循环过程产生的电压和电流信号变化对油水分离膜是否失效进行实时监测；
当所述的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜因污染程度过高而失效时，其通过冲洗即可恢复至初始状态。
一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的应用，它用于实时监测油水分离循环过程油水分离膜是否失效。
本发明的有益效果是：
1.该油水分离膜能够实时监测油水分离循环过程的污染程度，通过油水分离循环过程产生的电压及电流变化进行实时监测油水分离膜是否失效，便于及时处理失效的油水分离膜，避免了因材料失效而造成分离后的水受到污染。极大地方便了油水分离技术在工业生产以及日常生活中应用。
2.该油水分离膜能够通过简单的冲洗，即可将因污染程度过高而失效的油水分离膜恢复至初始状态，从而能够继续进行高效地油水分离。这有效地提升了材料的利用率，减少了资源浪费，节约了成本。与当今倡导的绿色地球以及节能环保的理念高度契合。
3.该油水分离膜制备流程简单，制备过程所需的原料易于获取，总体成本低，能够大批量生产；
4.该油水分离膜具有超亲水性(在空气中水接触角为0°)，水下超疏油性(水下多种油接触角均大于150°，最高可达165°)。相较于大多数油水分离材料其能够进行高效地油水分离，油水分离效率高达99％。
5.该油水分离膜对多种油均具有水下超疏油性，可以高效地分离多种油水混合溶液。
6.该油水分离膜能够适应多种工作环境，在不同环境中仍能够保持水下超疏油性质，并能够进行高效地油水分离。
说明书附图
图1为实施例一制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜冷冻干燥后的扫描电镜图，(a)为放大100倍，(b)为放大20000倍；
图2为不同油水分离膜水下油接触角和空气中水接触角的对比图，■为水下油接触角，○为水接触角；
图3为实施例二实时监测的工作示意图，Ⅰ为油水分离系统，Ⅱ为信号采集系统，Ⅲ为信号分析处理系统；
图4为实施例一中制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜多种油的水下接触角对比图；
图5为实施例一中制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜不同油水分离循环次数下分离正己烷-水混合物的效率图；
图6为实施例一制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在不工作环境下的油水分离效率图，(a)为不同酸碱度环境，(b)为不同盐度环境；
图7为实施例一制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在油水分离过程中产生的电压以及电流随油水分离循环次数变化规律图，(a)为电压，(b)为电流；
图8为实施例一制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在油水分离过程中自清洁后的水下正己烷接触角图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法，它是按以下步骤进行的：
一、纳米氢氧化铜制备：
将过硫酸钾溶液和氢氧化钠溶液混合均匀，得到混合溶液，将泡沫铜浸入到混合溶液中22h～26h，最后清洗，得到表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜；
二、水凝胶涂料的制备：
将聚乙烯醇和单宁酸溶解在去离子水-无水乙醇混合溶剂中，在温度为80℃～90℃及搅拌速度为1000r/min～1500r/min的条件下，磁力搅拌1h～2h，然后滴加多壁碳纳米管水分散液，并在温度为80℃～90℃及搅拌速度为1000r/min～1500r/min的条件下搅拌均匀，得到聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料；
所述的聚乙烯醇的质量与去离子水-无水乙醇混合溶剂的体积比为(0.8～1.2)g:40mL；所述的单宁酸的质量与去离子水-无水乙醇混合溶剂的体积比为(0.8～1.2)g:40mL；所述的多壁碳纳米管水分散液与去离子水-无水乙醇混合溶剂的体积比为(3～4.5):40；所述的多壁碳纳米管水分散液的质量百分数为10％～12.5％；
三、油水分离膜的制备：
将聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料均匀涂覆于表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜上表面及下表面，并干燥，然后重复上下表面涂覆5次～8次，得到样件，将样件置于去离子水中40h～56h，得到具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜；
所述的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在油水分离过程中产生电流与电压信号，通过油水分离循环过程产生的电压和电流信号变化对油水分离膜是否失效进行实时监测；
当所述的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜因污染程度过高而失效时，其通过冲洗即可恢复至初始状态。
步骤一中将泡沫铜浸入到混合溶液中22h～26h，观察到泡沫铜表面有海蓝色物质生成。
原理：
本具体实施方式制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜之所以能够实现高效地油水分离，主要得益于其超亲水性(在空气中水接触角为0°)，水下超疏油性(水下多种油接触角均大于150°，最高可达165°)。这使得当其接触到油水混合物时，油相不能透过油水分离膜而水相可以透过，从而将油相有效地分隔在油水分离膜上方，而水则透过油水分离膜在其下方进行收集，实现高效的油水分离。
本具体实施方式制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜之所以能够实现可自检测的油水分离，主要归功于该油水分离膜在油水分离过程中，能够根据油水分离循环次数的变化产生规律的电压以及电流变化。通过测量油水分离膜在油水分离过程中的电压或电流，可以有效地实时检测油水分离膜的污染程度，实现具备自检测功能的油水分离。该油水分离膜的发电原理主要是由于在油水分离过程中水分子落到油水分离膜表面时的势能转换，使水分子获得更大的动能，使其在油水分离膜内部的微通道中快速定向运动。当水分子通过多壁碳纳米管的狭窄微通道下落时会因动电效应产生电压。具体来说，多壁碳纳米管表面的羧基、羟基等含氧官能团因被水解，导致表面呈电负性。然后阳离子(H3O+)通过库仑力被多壁碳纳米管表面的带负电层吸引，形成双电层。在双电层的德拜半径内，阳离子被吸附，阴离子被排斥。在水流向下运动过程中，阳离子(H3O+)沿水流方向被吸引，然后在水流后面解离。这导致水流之间的阳离子浓度存在很大差异，从而导致流动势和波动的库仑场。将油水分离膜连接到外部电路后，波动的库仑场驱动电子转移产生电流。
本具体实施方式制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜之所以能够实现可自清洁的油水分离，主要归功于该油水分离膜在油水分离过程中，当油水分离膜因污染程度过高而失效时，其可以通过去离子水冲洗5～7次，由于油水分离膜的超亲水性，使得由于重力等因素沉积在油水分离膜微结构上的油相受水流作用与油水分离膜分离。这使得受到污染的油水分离膜表面得到清理，进而恢复至初始状态，能够继续进行高效地油水分离。该过程还可以重复2～3次，实现具备自清洁功能的油水分离。
本实施方式的有益效果是：
1.该油水分离膜能够实时监测油水分离循环过程的污染程度，通过油水分离循环过程产生的电压及电流变化进行实时监测油水分离膜是否失效，便于及时处理失效的油水分离膜，避免了因材料失效而造成分离后的水受到污染。极大地方便了油水分离技术在工业生产以及日常生活中应用。
2.该油水分离膜能够通过简单的冲洗，即可将因污染程度过高而失效的油水分离膜恢复至初始状态，从而能够继续进行高效地油水分离。这有效地提升了材料的利用率，减少了资源浪费，节约了成本。与当今倡导的绿色地球以及节能环保的理念高度契合。
3.该油水分离膜制备流程简单，制备过程所需的原料易于获取，总体成本低，能够大批量生产；
4.该油水分离膜具有超亲水性(在空气中水接触角为0°)，水下超疏油性(水下多种油接触角均大于150°，最高可达165°)。相较于大多数油水分离材料其能够进行高效地油水分离，油水分离效率高达99％。
5.该油水分离膜对多种油均具有水下超疏油性，可以高效地分离多种油水混合溶液。
6.该油水分离膜能够适应多种工作环境，在不同环境中仍能够保持水下超疏油性质，并能够进行高效地油水分离。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的泡沫铜为清洗后的泡沫铜，具体清洗方法如下：利用质量百分数为8％～12％的稀盐酸冲洗泡沫铜5次～7次，再在功率为100W～200W的条件下，分别置于丙酮及无水乙醇中超声清洗8min～10min，然后用去离子水冲洗5次～6次，最后在真空环境中干燥；步骤一中所述的清洗具体为使用去离子水清洗3次～5次，然后氮气吹干。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的过硫酸钾溶液的浓度为0.2mol/L～0.4mol/L；步骤一中所述的氢氧化钠溶液的浓度为5mol/L～6mol/L；步骤一中所述的过硫酸钾溶液与氢氧化钠溶液的体积比1:(0.8～1.0)。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的泡沫铜的孔隙率为95％～98％，厚度为0.8mm～1.2mm；步骤二中所述的多壁碳纳米管水分散液中多壁碳纳米管的长度为10μm～20μm，直径≥50nm。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的聚乙烯醇分子量为1750±50，单宁酸分子量为1701±50，纯度均为AR级别。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的去离子水-无水乙醇混合溶剂中去离子水与无水乙醇的体积比为1:(1.0～1.2)。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中所述的干燥具体为在温度为45℃～55℃的真空干燥箱中干燥6h～8h。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中样件表面聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料的涂覆厚度为2μm～5μm。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的应用，它用于实时监测油水分离循环过程油水分离膜是否失效。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：实时监测油水分离循环过程油水分离膜是否失效，具体是通过油水分离循环过程产生的电压及电流变化判断，且油水分离过程中产生的电流与电压信号是通过导线分别在油水分离膜上表面与下表面收集，并传导至信号采集系统。其它与具体实施方式九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一、纳米氢氧化铜制备：
将过硫酸钾溶液和氢氧化钠溶液混合搅拌5min使其均匀，得到混合溶液，将泡沫铜浸入到300mL混合溶液中24h，最后清洗，得到表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜；
二、水凝胶涂料的制备：
将1.0g聚乙烯醇和1.0g单宁酸溶解在40mL去离子水-无水乙醇混合溶剂中，在温度为90℃及搅拌速度为1200r/min的条件下，磁力搅拌1h，然后滴加4mL多壁碳纳米管水分散液，并在温度为90℃及搅拌速度为1200r/min的条件下搅拌均匀，得到聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料；
所述的多壁碳纳米管水分散液的质量百分数为10.6％；
三、油水分离膜的制备：
将聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料均匀涂覆于表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜上表面及下表面，并干燥，然后重复上下表面涂覆6次，得到样件，将样件置于去离子水中48h，得到具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜。
步骤一中所述的泡沫铜为清洗后的泡沫铜，具体清洗方法如下：利用质量百分数为10％的稀盐酸冲洗泡沫铜5次，再在功率为150W的条件下，分别置于丙酮及无水乙醇中超声清洗5min，然后用去离子水冲洗5次，最后在真空环境中干燥；步骤一中所述的清洗具体为使用去离子水清洗5次，然后氮气吹干。
步骤一中所述的过硫酸钾溶液的浓度为0.4mol/L；步骤一中所述的氢氧化钠溶液的浓度为5mol/L；步骤一中所述的过硫酸钾溶液与氢氧化钠溶液的体积比1:1。
步骤一中所述的泡沫铜的孔隙率为98％，厚度为1mm，尺寸为3cm×3cm；步骤二中所述的多壁碳纳米管水分散液中多壁碳纳米管的长度为15μm，直径为55nm。
步骤二中所述的聚乙烯醇(PVA-1750，≈99％纯度)购自上海展云化工有限公司。单宁酸(TA，Mw＝1701g mol-1，AR级)购自天津致远化学试剂有限公司。
步骤二中所述的去离子水-无水乙醇混合溶剂中去离子水与无水乙醇的体积比为1:1。
步骤三中所述的干燥具体为在温度为50℃的真空干燥箱中干燥6h。
步骤三中样件表面聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料的涂覆厚度为4μm。
步骤三中将聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料均匀涂覆于表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜上表面并干燥，然后涂覆于下表面并干燥。
图1为实施例一制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜冷冻干燥后的扫描电镜图，(a)为放大100倍，(b)为放大20000倍；由图1(a)油水分离膜冷冻干燥后的100倍放大图像表明，它具有优良的多孔结构，这有利于水分子在油水分离膜内部的流动。图1(b)油水分离膜冷冻干燥后的20000倍放大的图像表明，其多孔结构包覆有具有介孔结构的聚乙烯醇-单宁酸膜(PVA-TA)和管状MWNTs。这些特性赋予了油水分离膜优异的水导电性和亲水性。
(1)具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的超亲水性：
对具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜、步骤一中所述的泡沫铜(Cu)、步骤一制备的表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜(Cu(OH)2)、聚乙烯醇膜(PVA)、聚乙烯醇-单宁酸膜(PVA-TA)膜(将1.0g聚乙烯醇和1.0g单宁酸溶解在40mL去离子水-无水乙醇混合溶剂中，在温度为90℃及搅拌速度为1200r/min的条件下，磁力搅拌1h后，干燥成膜)进行空气中水接触角及水下油(正己烷)接触角测试。图2为不同油水分离膜水下油接触角和空气中水接触角的对比图，■为水下油接触角，○为水接触角；由图可知，在泡沫铜表面生长纳米Cu(OH)2后，其在空气中的水接触角从98°±4°下降到0°±4°。在用聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管水凝胶涂层涂覆表面后，其水接触角保持在0°±4°。同样地，纳米Cu(OH)2在泡沫铜表面的生长在水下表现出很好的疏油性能(油接触角(OCA)为145°±4°)，其疏油性大大提高(泡沫铜为40°±4°)。当在其表面涂覆聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管水凝胶涂层后，油水分离膜在水下表现出更好的超疏油性(OCA＝160°±4°)。
(2)具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的水下超疏油性：
将具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜完全浸没于水中，然后将2微升不同种油滴(汽油、豆油、环己烷、二甲苯和苯胺)缓慢附着在油水分离膜的表面，利用接触角测量仪测量水下接触角。结果如图4所示，图4为实施例一中制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜多种油的水下接触角对比图；由图可知，油水分离膜对苯胺具有最大的水下油接触角165°，油水分离膜对多种油的接触角均大于150.0°，证明了具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的水下超疏油性。同时，也证明了具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜适用于多种油水混合物的分离。
(3)具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的油水分离效率：
将40mL的环己烷-水混合物(环己烷与水的体积比为1:1)用烧杯倒入油水分离膜上方固定的漏斗中，由于油不能通过油水分离膜，油水混合物的油可以在漏斗中收集，由于水能够通过油水分离膜，其能够在油水分离膜下方的锥形瓶中收集，因此，得到分离后的油和水。图5为实施例一中制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜不同油水分离循环次数下分离正己烷-水混合物的效率图；由图可知，其在25个循环内均能达到良好的油水分离效果，10个循环内油水分离效率均高于98.8％。当油水分离膜使用次数达到25个循环，油水分离效率低于95.6％，且经测试此时水下油接触角低于150°，无法继续进行高效的油水分离，即为失效。
(4)强酸、强碱或高盐度环境下，具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的油水分离效率：
用醋酸和氢氧化钠调节水的pH值，得到pH值为2～12的酸或碱溶液，将pH值为2～12的酸或碱溶液与环己烷混合，得到环己烷-酸溶液混合物或环己烷-碱溶液混合物(环己烷与酸或碱溶液的体积比为1:1)，然后将环己烷-酸溶液混合物或环己烷-碱溶液混合物用烧杯倒入油水分离膜上方固定的漏斗中，油在漏斗中收集，酸溶液或碱溶液在油水分离膜下方的锥形瓶中收集。
用氯化钠调整钠离子浓度，得到钠离子浓度值为0mol/L～1.5mol/L的环己烷-水混合物(环己烷与水的体积比为1:1)，然后将钠离子浓度值为0mol/L～1.5mol/L的环己烷-水混合物用烧杯倒入油水分离膜上方固定的漏斗中，油在漏斗中收集，水在油水分离膜下方的锥形瓶中收集，得到分离后的油和水。
图6为实施例一制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在不工作环境下的油水分离效率图，(a)为不同酸碱度环境，(b)为不同盐度环境；通过图6(a)可以看出该油水分离方法可以在较强的酸碱度环境中(pH值为4～10)稳定的进行高效油水分离。通过图6(b)可以看出该油水分离方法可以在较高盐度环境中(盐溶液浓度近似于海水)稳定的进行高效油水分离。
由此可知，实施例一制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜可以适应在多种复杂的环境条件稳定工作，极大的拓宽了该油水分离方法的实际应用范围。
实施例二，结合图3具体说明：
一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的应用，实施例一制备的油水分离膜在油水分离过程中产生电流与电压信号，通过油水分离循环过程产生的电压及电流变化进行实时监测油水分离膜是否失效。
其主要由三部分组成，图3为实施例二实时监测的工作示意图，Ⅰ为油水分离系统，Ⅱ为信号采集系统，Ⅲ为信号分析处理系统。其具体工作介绍如下：
Ⅰ油水分离系统：
该系统主要是依靠具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的超亲水性/水下超疏油性，实现高效油水分离。当其接触到油水混合物时，油相不能透过油水分离膜而水相可以透过，从而将油相有效地分隔在油水分离膜上方，而水则透过油水分离膜在其下方进行收集；最后，油水分离过程中产生的电流与电压信号具体是通过导线分别在油水分离膜上表面与下表面收集，并传导至信号采集系统。
Ⅱ信号采集系统：
该系统主要是采集Ⅰ油水分离系统在油水分离过程中产生的电压以及电流信号。信号采集系统主要是依靠数字源表完成对油水分离循环过程中具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜产生的电信号的收集，再通过数据传输装置将收集的信号传入到Ⅲ信号分析处理系统中对收集的信号进行处理；
Ⅲ信号分析处理系统：
该系统主要是分析和处理Ⅱ信号采集系统收集的Ⅰ油水分离系统在油水分离过程中产生的电压以及电流信号。该系统首先通过数字源表自身的数据采集软件将Ⅱ信号采集系统收集的电信号进行数字化处理。最后通过绘图以及分析软件得到的数据绘图成型，并实时分析电信号的变化情况，进而判断油水分离膜的污染程度。
上述三个系统共同实现具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的油水分离方法。此外，当监测到具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜因污染程度过高而失效时，通过简单的清洗后，油水分离膜恢复至初始状态，将其放回其在Ⅰ油水分离系统所处的位置，即可继续进行高效的油水分离。
(5)将40mL环己烷-水混合物(环己烷与水的体积比为1:1)用烧杯倒入油水分离膜上方固定的漏斗中，油水混合物的油在漏斗中收集，水在油水分离膜下方的锥形瓶中收集，得到分离后的油和水，并利用40mL环己烷-水混合物进行多次循环分离。测试中油水分离膜与环己烷-水混合物接触的顶部为负极，底部为正极，导线与油水分离膜接触的部分采用铂电极连接。通过图3所示的Ⅲ信号分析处理系统对油水分离过程中的电信号进行分析处理。
图7为实施例一制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在油水分离过程中产生的电压以及电流随油水分离循环次数变化规律图，(a)为电压，(b)为电流；图7(a)可以看出随着循环次数的增加，具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜内部残余油的逐渐积累，导致产生的电压呈指数下降(从7.2mV降至0.97mV)。结合图5中具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的油水分离效率图，当油水分离膜使用次数达到25个循环，油水分离效率低于95.6％，且经测试此时水下油接触角低于150°，无法继续进行高效的油水分离，油水分离膜失效，因此，对应图电压可知，循环25次时，电压值低于1.6mV时，其会因污染程度过高而无法实现高效的油水分离。图7(b)可知，具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在油水分离过程中产生的电流也随着循环次数的增加呈指数下降(从1.65μA下降到0.4μA)，其原因与电压下降的原因相同。结合图5可知，循环25次时，产生的电压值低于0.61μA时，无法实现高效油水分离。
综上，通过测量油水分离过程中产生的电压值以及电流值实时了解该油水分离膜的污染程度，判断其是否因过度污染而失效，从而实现自检测功能。
(6)具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的自清洁特性：
当污染程度过高而失效的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜，将其从Ⅰ油水分离系统中取出，用去离子水冲洗6次，即可恢复至初始状态。将清洁后的油水分离膜放回Ⅰ油水分离系统中，即可继续进行高效的油水分离。
图8为实施例一制备的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在油水分离过程中自清洁后的水下正己烷接触角图；由图可知，该油水分离膜在第一次清洁后水下油接触角恢复到158°，其仍可进行20个高效的油水分离循环，21次循环后接触角为148°，接触角低于150°，使用该油水分离膜不能进行高效的油水分离。而且一次清洁后再次失效仍可以重复3次清洁，有效地延长了该油水分离膜的使用寿命，实现了可自清洁的功能。

Claims (10)

1.一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：
一、纳米氢氧化铜制备：
将过硫酸钾溶液和氢氧化钠溶液混合均匀，得到混合溶液，将泡沫铜浸入到混合溶液中22h～26h，最后清洗，得到表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜；
二、水凝胶涂料的制备：
将聚乙烯醇和单宁酸溶解在去离子水-无水乙醇混合溶剂中，在温度为80℃～90℃及搅拌速度为1000r/min～1500r/min的条件下，磁力搅拌1h～2h，然后滴加多壁碳纳米管水分散液，并在温度为80℃～90℃及搅拌速度为1000r/min～1500r/min的条件下搅拌均匀，得到聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料；
所述的聚乙烯醇的质量与去离子水-无水乙醇混合溶剂的体积比为(0.8～1.2)g:40mL；所述的单宁酸的质量与去离子水-无水乙醇混合溶剂的体积比为(0.8～1.2)g:40mL；所述的多壁碳纳米管水分散液与去离子水-无水乙醇混合溶剂的体积比为(3～4.5):40；所述的多壁碳纳米管水分散液的质量百分数为10％～12.5％；
三、油水分离膜的制备：
将聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料均匀涂覆于表面生长有纳米氢氧化铜结构的泡沫铜上表面及下表面，并干燥，然后重复上下表面涂覆5次～8次，得到样件，将样件置于去离子水中40h～56h，得到具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜；
所述的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜在油水分离过程中产生电流与电压信号，通过油水分离循环过程产生的电压和电流信号变化对油水分离膜是否失效进行实时监测；
当所述的具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜因污染程度过高而失效时，其通过冲洗即可恢复至初始状态。
2.根据权利要求1所述的一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法，其特征在于步骤一中所述的泡沫铜为清洗后的泡沫铜，具体清洗方法如下：利用质量百分数为8％～12％的稀盐酸冲洗泡沫铜5次～7次，再在功率为100W～200W的条件下，分别置于丙酮及无水乙醇中超声清洗8min～10min，然后用去离子水冲洗5次～6次，最后在真空环境中干燥；步骤一中所述的清洗具体为使用去离子水清洗3次～5次，然后氮气吹干。
3.根据权利要求1所述的一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法，其特征在于步骤一中所述的过硫酸钾溶液的浓度为0.2mol/L～0.4mol/L；步骤一中所述的氢氧化钠溶液的浓度为5mol/L～6mol/L；步骤一中所述的过硫酸钾溶液与氢氧化钠溶液的体积比1:(0.8～1.0)。
4.根据权利要求1所述的一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法，其特征在于步骤一中所述的泡沫铜的孔隙率为95％～98％，厚度为0.8mm～1.2mm；步骤二中所述的多壁碳纳米管水分散液中多壁碳纳米管的长度为10μm～20μm，直径≥50nm。
5.根据权利要求1所述的一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法，其特征在于步骤二中所述的聚乙烯醇分子量为1750±50，单宁酸分子量为1701±50，纯度均为AR级别。
6.根据权利要求1所述的一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法，其特征在于步骤二中所述的去离子水-无水乙醇混合溶剂中去离子水与无水乙醇的体积比为1:(1.0～1.2)。
7.根据权利要求1所述的一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法，其特征在于步骤三中所述的干燥具体为在温度为45℃～55℃的真空干燥箱中干燥6h～8h。
8.根据权利要求1所述的一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜制备方法，其特征在于步骤三中样件表面聚乙烯醇-单宁酸@多壁碳纳米管交联的水凝胶涂料的涂覆厚度为2μm～5μm。
9.如权利要求1所述的一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的应用，其特征在于它用于实时监测油水分离循环过程油水分离膜是否失效。
10.根据权利要求9所述的一种具有污染度自检测和自清洁效应的油水分离膜的应用，其特征在于实时监测油水分离循环过程油水分离膜是否失效，具体是通过油水分离循环过程产生的电压及电流变化判断，且油水分离过程中产生的电流与电压信号是通过导线分别在油水分离膜上表面与下表面收集，并传导至信号采集系统。
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