JP6207302B2 - Oil-water separator manufacturing method and oil-water separator - Google Patents
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Description
本発明は、油水混合液から油と水を分離するための油水分離材やその用途に関する。 The present invention relates to an oil / water separator and its use for separating oil and water from an oil / water mixture.
タンカー事故などによる重油等の海域への流出は深刻な環境問題を引き起こす。事故発生直後の重油拡散前には、可能な限り速やかに重油を回収することが求められ、高効率な油水分離技術が必要となる。 The spill of heavy oil into the sea due to a tanker accident causes serious environmental problems. Before spreading heavy oil immediately after the accident occurs, it is required to collect heavy oil as quickly as possible, and highly efficient oil-water separation technology is required.
既存の技術として、空気中で撥水性を示すフィルター、または空気中で親水性を示し水中で撥油性を示すフィルターに、油水混合液を流し込むだけで油および水を分離することができることが知られている。そのような用途を有するフィルターとして、たとえば次のようなものが提案されている。 As an existing technology, it is known that oil and water can be separated by simply pouring an oil-water mixture into a filter that exhibits water repellency in air or a filter that is hydrophilic in air and exhibits oil repellency in water. ing. For example, the following filters have been proposed as such filters.
非特許文献1には、アルキルホスホネートの自己組織化により生じた薄層状の結晶がナノサイズの花弁のような形状をなしている、ニッケル等の金属基盤の表面が超撥水性を示すことが記載されている。 Non-Patent Document 1 describes that the surface of a metal substrate such as nickel, which has a shape like a nano-sized petal, has a super-water-repellent surface, as a thin-layer crystal formed by self-assembly of an alkylphosphonate. Has been.
非特許文献2には、酸化亜鉛のナノロッドで被覆されたステンレススチールメッシュの表面が超撥水性および超親油性を示すことが記載されている。
非特許文献3には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含む素材で、マイクロメートルサイズないしナノメートルサイズの粗い凹凸のある層が形成されている、ステンレススチールメッシュの表面が超撥水性および超親油性を示すことが記載されている。
Non-Patent Document 2 describes that the surface of a stainless steel mesh coated with zinc oxide nanorods exhibits superhydrophobicity and superlipophilicity.
Non-Patent Document 3 discloses that a surface of a stainless steel mesh made of a material containing polytetrafluoroethylene (PTFE) and having a rough unevenness of micrometer size to nanometer size is super-water-repellent and super-parent. It is described that it exhibits oiliness.
非特許文献4には、硝酸でエッチングした後、1−ヘキサデカンチオールをグラフトさせた銅製メッシュの表面が超撥水性および超親油性を示すことが記載されている。
また、非特許文献5には、ゼオライトで被覆されたステンレススチールメッシュの表面が超親水性および水中での超撥油性を示すことが記載されている。
Non-Patent Document 4 describes that the surface of a copper mesh grafted with 1-hexadecanethiol after etching with nitric acid exhibits superhydrophobicity and superlipophilicity.
Non-Patent Document 5 describes that the surface of a stainless steel mesh coated with zeolite exhibits super hydrophilicity and super oil repellency in water.
しかしながら、このような従来のフィルターは表面が多孔質からなるものであり、その微細な多孔質表面の機械的強度や基盤との密着性は一般的に弱い。また、分離処理に伴う油分の付着によるフィルター目詰まりも起こりやすい。 However, such a conventional filter has a porous surface, and the mechanical strength of the fine porous surface and the adhesion to the substrate are generally weak. In addition, filter clogging due to the adhesion of oil accompanying separation processing is likely to occur.
一方、酸化チタン(TiO2)は、化学的に安定で、無毒の、比較的安価な光触媒機能を有する素材としてよく知られている。また、酸化チタンは、紫外線(UV)を照射することにより濡れ性が劇的に変化して両親媒性を示す、すなわち空気中での水との接触角が5°より小さい(CAwater/air<5°)超親水性とともに、空気中での油との接触角が5°より小さい(CAoil/air<5°)超撥水性を示すようになることも知られている(非特許文献6)。このように親水的な酸化チタンの平坦な表面は、容易に作製することができる上、優れた耐久性とともに、防曇性および自己浄化性を備えているため、各種の製品(自動車用のサイドミラー、外壁タイル等)に利用されている。 On the other hand, titanium oxide (TiO 2 ) is well known as a chemically stable, non-toxic and relatively inexpensive material having a photocatalytic function. Titanium oxide also exhibits amphipathic properties by dramatically changing wettability when irradiated with ultraviolet rays (UV), that is, its contact angle with water in air is smaller than 5 ° (CA water / air It is also known that the contact angle with oil in the air is smaller than 5 ° (CA oil / air <5 °) and exhibits super water repellency in addition to super hydrophilicity (<5 °) (non-patent document) 6). In this way, the flat surface of hydrophilic titanium oxide can be easily manufactured, and has excellent durability and anti-fogging and self-cleaning properties. Mirrors, exterior wall tiles, etc.)
しかしながら、酸化チタン表面の濡れ性についての報告は、ほとんどが空気中で測定された各種の液体の接触角に基づくものであり、水中での油との接触角(超撥油性)についての報告はこれまでにない。 However, most reports on the wettability of the titanium oxide surface are based on the contact angles of various liquids measured in air, and reports on the contact angle with oil in water (super oil repellency) Never before.
上述したように、これまでに提案されている油水分離材のほとんどは、表面に脆い、微細な多孔質構造が形成された部材で作製する必要があり、油水分離材としての実用性を考慮すると、耐久性(機械的強度、基盤との密着性)や目詰まり防止性の点で改善の余地があった。また、そのような油水分離材には作製工程が比較的複雑なものがあった。 As described above, most of the oil / water separators proposed so far need to be made of a member that is brittle on the surface and has a fine porous structure, and considering the practicality as an oil / water separator. In addition, there was room for improvement in terms of durability (mechanical strength, adhesion to the substrate) and prevention of clogging. In addition, such an oil / water separator has a relatively complicated manufacturing process.
本発明は、耐久性および目詰まり防止性に優れ、しかも容易に製造することができる、実用的な油水分離材を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a practical oil / water separator that is excellent in durability and prevention of clogging and that can be easily manufactured.
本発明者らは、意外なことに、紫外線照射により超親水化された酸化チタン層の表面における、水中での油との接触角の実測値は、ヤングの式(詳細は後述)から算出される計算値よりも著しく高く、油水分離材としての用途において好適な超撥油性(CAoil/water>160°)を示すことを見出した。また、チタン製のメッシュを焼成するという比較的簡単な処理により、その表面に酸化チタンからなる層を形成させることができ、しかもその酸化チタン層は、機械強度に優れ、かつ基盤(チタン製メッシュ)との密着性が高いことを見出した。そして、上記のような焼成および紫外線照射の工程を経て得られる、超親水化処理された酸化チタン層を表面に備えたメッシュが、目詰まりを起こすことなく繰り返し油水分離処理を行える、実用性を備えた油水分離材として利用できることを確認し、本発明を完成させるに至った。 Surprisingly, the inventors of the present invention calculated the measured value of the contact angle with oil in water on the surface of the titanium oxide layer superhydrophilicized by UV irradiation from Young's formula (details will be described later). It was found to be significantly higher than the calculated value, and to exhibit super oil repellency (CA oil / water > 160 °) suitable for use as an oil / water separator. In addition, a relatively simple process of firing a titanium mesh can form a layer made of titanium oxide on its surface, and the titanium oxide layer has excellent mechanical strength and a base (titanium mesh). ) Was found to be highly adhesive. The mesh provided with a superhydrophilic titanium oxide layer on the surface obtained through the baking and ultraviolet irradiation processes as described above can be repeatedly subjected to oil-water separation treatment without causing clogging. It confirmed that it could utilize as an oil-water separator with which it was equipped, and came to complete this invention.
すなわち、本発明は一つの側面において前述したような課題を解決した油水分離材を提供し、さらに当該油水分離材を装着した油水分離装置を提供する。また、本発明は別の側面において、そのような油水分離材を使用した油水分離方法を提供する。かかる本発明は下記の事項を包含する。 That is, this invention provides the oil-water separator which solved the subject mentioned above in one side surface, and also provides the oil-water separator which equip | installed the said oil-water separator. Moreover, this invention provides the oil-water separation method which uses such an oil-water separation material in another side surface. The present invention includes the following matters.
[1] 超親水化処理された酸化チタン層を表面に備えたメッシュからなることを特徴とする油水分離材。
[2] 前記超親水化処理がUV照射によってなされている、[1]に記載の油水分離材。
[1] An oil / water separator comprising a mesh having a superhydrophilic titanium oxide layer on its surface.
[2] The oil / water separator according to [1], wherein the superhydrophilic treatment is performed by UV irradiation.
[3] 前記メッシュがチタン製であり、当該チタン製メッシュを焼成処理することにより前記酸化チタン層が形成されている、[1]または[2]に記載の油水分離材。
[4] 前記超親水化処理された酸化チタン層の、水中での、少なくとも1種の油との接触角が160°より大きい、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の油水分離材。
[3] The oil-water separator according to [1] or [2], wherein the mesh is made of titanium, and the titanium oxide layer is formed by firing the titanium mesh.
[4] The oily water according to any one of [1] to [3], wherein a contact angle between the superhydrophilic titanium oxide layer and at least one oil in water is greater than 160 °. Separation material.
[5] [1]〜[4]のいずれか一項に記載の油水分離材を装着していることを特徴とする油水分離装置。
[6] [1]〜[4]のいずれか一項に記載の油水分離材に油水混合液を注ぎ、水は当該油水分離材のメッシュを通過させる一方、油は当該油水分離材のメッシュを通過させないようにする工程を含むことを特徴とする油水分離方法。
[5] An oil / water separator having the oil / water separator according to any one of [1] to [4].
[6] The oil / water mixture is poured into the oil / water separator according to any one of [1] to [4], and water passes through the mesh of the oil / water separator, while oil passes through the mesh of the oil / water separator. The oil-water separation method characterized by including the process of making it not pass.
なお、本明細書では、当該技術分野における一般的な用語の概念と同様、「超親水性」は、空気中での水との接触角が5°より小さい(CAwater/air<5°)物性を指し、「超親油性」は、空気中での油との接触角が5°より小さい(CAoil/air<5°)物性を指し、「水中での超撥油性」は、水中での油との接触角が150°より大きい(CAoil/water<150°)物性を指すものとする。また、本発明において、「超親水性」や「超親油性」に相当する比較的小さな接触角はθ/2法で算出される値、「水中での超撥油性」または「超撥水性」に相当する比較的大きな接触角は接線法で算出される値として定義することとする。このような手法による接触角の測定は、市販されている一般的な接触角計(測定システム)を用いて行うことができる。 In the present specification, as in the concept of general terms in the technical field, “superhydrophilic” means that the contact angle with water in air is smaller than 5 ° (CA water / air <5 °). “Super-lipophilic” refers to a physical property having a contact angle with oil in the air of less than 5 ° (CA oil / air <5 °). “Super-oil repellency in water” The angle of contact with oil is greater than 150 ° (CA oil / water <150 °). In the present invention, a relatively small contact angle corresponding to “superhydrophilicity” or “superlipophilicity” is a value calculated by the θ / 2 method, “superoil repellency in water” or “superwater repellency”. A relatively large contact angle corresponding to is defined as a value calculated by the tangent method. The measurement of the contact angle by such a method can be performed using a commercially available general contact angle meter (measurement system).
超親水化処理された酸化チタン層の表面は水中で顕著な超撥油性を発揮するため、そのような酸化チタン層を備えたメッシュは、油水混合液から水と油を分離するための部材として高い性能を発揮することができる。しかも、超親水化処理された酸化チタン層の表面には水中で油滴が全く付着ないため、フィルターの目詰まりの心配は不要となる。 Since the surface of the titanium oxide layer subjected to the superhydrophilic treatment exhibits remarkable super oil repellency in water, the mesh provided with such a titanium oxide layer is a member for separating water and oil from the oil-water mixture. High performance can be demonstrated. Moreover, since no oil droplets adhere to the surface of the titanium oxide layer subjected to the superhydrophilic treatment in water, there is no need to worry about clogging of the filter.
また、チタン製メッシュを焼成するという比較的簡単な工程によりその表面に酸化チタン層を形成することができ、その酸化チタン層は、機械強度に優れ、かつ基盤(チタン)との密着性が高い。したがって、そのような酸化チタン層を備えたメッシュは、高耐久性の油水分離用のフィルターとして優れた効果を長期にわたって持続することが見込まれる。 Moreover, a titanium oxide layer can be formed on the surface by a relatively simple process of firing a titanium mesh, and the titanium oxide layer has excellent mechanical strength and high adhesion to the substrate (titanium). . Therefore, the mesh provided with such a titanium oxide layer is expected to maintain an excellent effect as a highly durable oil-water separation filter over a long period of time.
−油水分離材−
本発明の油水分離材は、超親水化処理された酸化チタン層を表面に備えたメッシュからなるものである。
-Oil / water separator-
The oil / water separator of the present invention is made of a mesh having a super-hydrophilic titanium oxide layer on its surface.
超親水化処理された酸化チタン層を表面に備えたメッシュは、まずチタンで形成されたメッシュの表面に酸化チタン層を形成し、それに超親水化処理を施すことによって作製することができる。 A mesh provided with a superhydrophilic titanium oxide layer on its surface can be produced by first forming a titanium oxide layer on the surface of the mesh formed of titanium and subjecting it to a superhydrophilic treatment.
酸化チタン層を表面に備えたメッシュは、一般的に、チタン製のメッシュを適切な温度で、適切な時間で熱処理(焼成)し、当該チタン製メッシュの表層にあるチタンを酸化チタンに変化させることで得られる。ここで、光触媒機能を有する酸化チタンには、アナターゼ型の結晶構造を有するものとルチル型の結晶構造を有するものがある。一般的に、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンの方が光触媒としての活性が高いが、本発明においてはアナターゼ型、ルチル型、どちらの結晶構造を有する酸化チタンを用いてもよい。これらの結晶構造を有する酸化チタン層を形成するための温度、時間およびその他の条件は、本発明の作用効果に与える影響を考慮しながら、当業者であれば適切に調節することができる。ルチル型の結晶構造を有する酸化チタン層を形成する場合、一般的には、熱処理の温度は400〜800℃、時間は10分間〜4時間である。 A mesh having a titanium oxide layer on the surface generally heat-treats (fires) the titanium mesh at an appropriate temperature for an appropriate time, and changes the titanium in the surface layer of the titanium mesh to titanium oxide. Can be obtained. Here, the titanium oxide having a photocatalytic function includes those having an anatase type crystal structure and those having a rutile type crystal structure. In general, titanium oxide having an anatase type crystal structure has higher activity as a photocatalyst. In the present invention, titanium oxide having either anatase type or rutile type crystal structure may be used. The temperature, time, and other conditions for forming the titanium oxide layer having these crystal structures can be appropriately adjusted by those skilled in the art while considering the influence on the operational effects of the present invention. In the case of forming a titanium oxide layer having a rutile-type crystal structure, generally, the temperature of the heat treatment is 400 to 800 ° C., and the time is 10 minutes to 4 hours.
酸化チタン層の超親水化処理は、一般的に、適切な強度の紫外線を照射することによって行われる。このような超親水化処理のための照射強度およびその他の条件は、本発明の作用効果に与える影響を考慮しながら、当業者であれば適切に調節することができる。一般的には、超親水過処理の紫外線の照射強度は1〜30mW/cm2、照射時間は1分間〜6時間である。 The superhydrophilic treatment of the titanium oxide layer is generally performed by irradiating ultraviolet rays having an appropriate intensity. Those skilled in the art can appropriately adjust the irradiation intensity and other conditions for such superhydrophilic treatment, while taking into consideration the influence on the effects of the present invention. In general, the irradiation intensity of ultra-hydrophilic overtreated ultraviolet rays is 1 to 30 mW / cm 2 , and the irradiation time is 1 minute to 6 hours.
ただし、本発明で用いられる超親水化処理された酸化チタン層を表面に備えたチタンメッシュの作製方法は特に限定されるものではなく、油水分離に関する本発明の作用効果を奏する限り、上記のような方法以外の方法によって作製されたものであってもよい。 However, the production method of the titanium mesh provided with the superhydrophilic titanium oxide layer used in the present invention on the surface is not particularly limited, as long as the effects of the present invention relating to oil-water separation are exhibited. It may be produced by a method other than this method.
超親水化処理後の酸化チタン層の表面は、超親水化処理前に比べて、水中での油との接触角(CAoil/water)の数値が高くなる。超親水化処理後の酸化チタン層の表面の、水中での油との接触角は、通常150°より大きく(すなわち水中での超撥油性を示し)、好ましくは160°より大きく、より好ましくは165°より大きい。ただし、油の種類によって水中での油との接触角は変動する。本発明の油水分離材の用途を考慮して、一または複数の種類の油との関係において、水中での油との接触角が上記のような条件を満たすようにすることが適切である。 The surface of the titanium oxide layer after the superhydrophilic treatment has a higher contact angle (CA oil / water ) with the oil in water than before the superhydrophilic treatment. The contact angle of the surface of the titanium oxide layer after the superhydrophilic treatment with the oil in water is usually larger than 150 ° (that is, exhibits super oil repellency in water), preferably larger than 160 °, more preferably Greater than 165 °. However, the contact angle with oil in water varies depending on the type of oil. In consideration of the use of the oil / water separator of the present invention, it is appropriate that the contact angle with the oil in water satisfies the above conditions in relation to one or more types of oil.
油水分離材を用いて分離する「油」の種類は特に限定されるものではないが、一般的に、水が液体である温度条件(通常は常温)において液体であり、その水と混和しない、単一の炭化水素からなる油および複数の炭化水素からなる油が包含される。このような油を構成する炭化水素は、脂肪族または脂環式の、飽和または不飽和の炭化水素のうち、適切な炭素原子数を有するものであればよく、たとえば、炭素原子数が5〜19の脂肪族飽和炭化水素、炭素原子数が5〜8の脂環式飽和炭化水素などが挙げられる。また、複数の炭化水素からなる油としては、ガソリン、灯油、軽油(ディーゼル油)、重油、粗製油、動物もしくは植物由来の油脂などが挙げられる。 The type of “oil” to be separated using the oil / water separator is not particularly limited, but is generally liquid under temperature conditions (usually normal temperature) where water is liquid, and is not miscible with water. Oils consisting of a single hydrocarbon and oils consisting of a plurality of hydrocarbons are included. The hydrocarbon constituting such an oil may be any hydrocarbon or alicyclic saturated or unsaturated hydrocarbon having an appropriate number of carbon atoms, for example, 5 to 5 carbon atoms. 19 aliphatic saturated hydrocarbons and alicyclic saturated hydrocarbons having 5 to 8 carbon atoms. Examples of the oil composed of a plurality of hydrocarbons include gasoline, kerosene, light oil (diesel oil), heavy oil, crude oil, and animal or plant-derived oils and fats.
換言すれば、油水分離材を用いて分離する「油」は、超親水化処理後の酸化チタン層の表面における水中での接触角が、少なくとも150°より大きくなるものであり、160°より大きくなるものが好ましく、165°より大きくなるものがより好ましい。 In other words, the “oil” separated using the oil / water separator has a contact angle in water on the surface of the titanium oxide layer after the superhydrophilization treatment that is at least greater than 150 ° and greater than 160 °. Are preferred, and those greater than 165 ° are more preferred.
メッシュのサイズないし孔径(直径またはメッシュによって区切られる空隙の一辺)は、水中での油との接触角などを考慮しながら、適切な油水分離性能を有する範囲、すなわちメッシュを通過する水に油が混入せず、好ましくはそのような油水分離が重力のみによって進行するような範囲で調節することが適切である。孔径は、一般的には10〜500μm、好ましくは10〜200μmである。 The size or pore size of the mesh (diameter or one side of the gap delimited by the mesh) should be within a range that has appropriate oil-water separation performance, i.e., the water passing through the mesh, taking into account the contact angle with oil in water. It is appropriate to adjust so that the oil-water separation proceeds only by gravity without mixing. The pore diameter is generally 10 to 500 μm, preferably 10 to 200 μm.
−油水分離材の用途−
本発明の油水分離材は、油水分離装置、あるいは油水分離機能が必要とされるその他の装置に、油水分離用のフィルターとして装着して使用することができる。油水分離装置としては多種多様なタイプのものが知られており、どのような油水分離装置に本発明の油水分離材を装着するかは特に限定されるものではない。装着の対象とする油水分離装置の構造に適応した実施形態で油水分離材を製造すればよい。
-Use of oil / water separator-
The oil / water separator of the present invention can be used by being mounted as an oil / water separator filter on an oil / water separator or other devices requiring an oil / water separator. Various types of oil-water separators are known, and the type of oil-water separator to which the oil-water separator of the present invention is attached is not particularly limited. What is necessary is just to manufacture an oil-water separation material with embodiment adapted to the structure of the oil-water separation apparatus made into the mounting object.
また、本発明の油水分離材(特に油水分離装置に装着された状態にあるもの)は、そこに油水混合液を注ぎ、水は油水分離材のメッシュを通過させる一方、油は油水分離材のメッシュを通過させないようにする工程(油水分離工程)を含む、油水分離方法を実施するために使用することができる。このような油水分離工程は、バッチ式で所望の回数行ってもよいし、連続式で所望の時間行ってもよい。 In addition, the oil / water separator of the present invention (particularly the one installed in the oil / water separator) is poured into the oil / water mixture, and the water passes through the mesh of the oil / water separator, while the oil is the oil / water separator. It can be used to carry out an oil / water separation method including a step of preventing the mesh from passing (oil / water separation step). Such an oil-water separation step may be performed a desired number of times by a batch method, or may be performed by a continuous method for a desired time.
上記の油水分離方法は、暗所において時間の経過と共に失われてゆく油水分離能を回復させるため、油水分離材の酸化チタン層にUVを照射する工程を含んでいてもよい。この工程におけるUVの照射条件は、前述した油水分離材を作製する際に行われる超親水化処理のためのUVの照射条件に準じたものとすることができる。したがって、前記油水分離装置は、本発明の油水分離材(フィルター)を取り外さないままUVを照射して油水分離能を回復させることができるよう、UV照射手段をさらに備えるものであってもよい。 The oil / water separation method described above may include a step of irradiating the titanium oxide layer of the oil / water separator with UV light in order to recover the oil / water separation ability that is lost over time in a dark place. The UV irradiation conditions in this step may be in accordance with the UV irradiation conditions for the superhydrophilic treatment performed when the oil-water separator described above is produced. Therefore, the oil / water separation device may further include a UV irradiation means so that the oil / water separation ability can be recovered by irradiating UV without removing the oil / water separation material (filter) of the present invention.
あるいは、使用している油水分離材の油水分離能が弱くなったときには、UVの照射によって高い油水分離能を保持している、新規に作製された、または再生された油水分離材と交換することが好ましい。 Alternatively, when the oil / water separator of the oil / water separator used is weakened, replace it with a newly created or regenerated oil / water separator that retains high oil / water separator by UV irradiation. Is preferred.
以下の参考例1として記載した「ゾルゲル法によりガラス基盤上に形成された酸化チタン層」に関する事項、および参考例2として記載した「チタンプレート上に形成された酸化チタン層」に関する事項は、実施例として記載した「チタンメッシュ上に形成された酸化チタン層」についても同様であると解釈することができる。すなわち、実施例で用いたチタンメッシュが備える酸化チタン層についての表面構造や各種の接触角は、参考例2のチタンプレートが備える酸化チタン層について、図1に示した表面構造や、表1に示した各種の接触角と同等であり、さらに図3に示した各種の接触角の実測値と計算値の比較結果も同様になると推定される。また、実施例で用いたチタンメッシュが備える酸化チタン層(ならびに参考例2で用いたチタンプレートが備える酸化チタン層)と油滴との接触に関しては、参考例1のガラス基盤上に形成された酸化チタン層と油滴との接触に関して、図2に示した接触の様子や、図4に示したモデルが同様に当てはまると推定される。 The matters relating to the “titanium oxide layer formed on the glass substrate by the sol-gel method” described as Reference Example 1 below and the matters relating to the “titanium oxide layer formed on the titanium plate” described as Reference Example 2 were carried out. The same applies to the “titanium oxide layer formed on the titanium mesh” described as an example. That is, the surface structure and various contact angles of the titanium oxide layer included in the titanium mesh used in the examples are as shown in FIG. It is estimated that the results are equivalent to the various contact angles shown, and the comparison results between the actual measurement values and the calculated values of the various contact angles shown in FIG. 3 are also the same. In addition, the contact between the titanium oxide layer included in the titanium mesh used in the example (and the titanium oxide layer included in the titanium plate used in Reference Example 2) and the oil droplets was formed on the glass substrate of Reference Example 1. Regarding the contact between the titanium oxide layer and the oil droplets, it is presumed that the contact state shown in FIG. 2 and the model shown in FIG.
[参考例1]
スライドグラス(厚さ1mm、松浪硝子工業株式会社)を基盤とし、その表面に酸化チタンからなる層が形成されたサンプルを、ディップコーティングおよびゾル−ゲル法を用いた次のような手順で作製した。まず、スライドグラスをアルコキシシラン(NDH-500A、日本曹達株式会社)に浸漬し、2.5mm/sで引き上げた後、アルコキシシランの塗膜を500℃で30分間焼成した。次に、得られたスライドグラスをチタン酸テトライソプロポキシド(NDH-520C、日本曹達株式会社)に浸漬し、2.5mm/sで引き上げた後、チタン酸テトライソプロポキシドの塗膜を500℃で30分間焼成した。作製されたサンプルは暗所で数日保管した。
[Reference Example 1]
A sample based on a slide glass (thickness 1 mm, Matsunami Glass Industrial Co., Ltd.) and having a layer made of titanium oxide formed on the surface was prepared by the following procedure using dip coating and sol-gel method. . First, the slide glass was immersed in alkoxysilane (NDH-500A, Nippon Soda Co., Ltd.) and pulled up at 2.5 mm / s, and then the alkoxysilane coating film was baked at 500 ° C. for 30 minutes. Next, the obtained slide glass was immersed in titanate tetraisopropoxide (NDH-520C, Nippon Soda Co., Ltd.), pulled up at 2.5 mm / s, and then coated with a tetraisopropoxide titanate coating film. Baked at 30 ° C. for 30 minutes. The prepared sample was stored for several days in the dark.
図1(左)にSEMおよびAFMでの観察画像を示す。参考例1のサンプルの表面には均一で微細な酸化チタンの粒子(平均粒子径は約20〜30nm)からなる層が形成されており、表面は平坦であった(Ra = 1.09 nm)。また、XRDにより、参考例1のサンプルの酸化チタンの結晶構造はアナターゼ型であることが確認された。 FIG. 1 (left) shows an image observed with SEM and AFM. A layer composed of uniform and fine titanium oxide particles (average particle diameter of about 20 to 30 nm) was formed on the surface of the sample of Reference Example 1, and the surface was flat (Ra = 1.09 nm). Moreover, it was confirmed by XRD that the crystal structure of titanium oxide in the sample of Reference Example 1 was anatase type.
[参考例2]
チタン製プレート(厚さ5mm、株式会社ニラコ)を500℃で4時間熱処理することにより、チタン製プレートを基盤とし、その表面に酸化チタンからなる層が形成されたサンプルを作製した。作製されたサンプルは暗所で数日保管した。
[Reference Example 2]
A titanium plate (thickness 5 mm, Niraco Co., Ltd.) was heat-treated at 500 ° C. for 4 hours to prepare a sample having a titanium plate as a base and a layer made of titanium oxide formed on the surface thereof. The prepared sample was stored for several days in the dark.
図1(右)に走査型電子顕微鏡(SEM;JSM-6380A、日本電子株式会社)および原子間力顕微鏡(AFM;SPI3800N、セイコーインスツル株式会社)での観察画像を示す。参考例2のサンプルの表面に形成されている酸化チタン層には微小な凹凸があり、表面は比較的粗かった(Ra = 71.29 nm)。また、X線回折(XRD)により、参考例2のサンプルの酸化チタンの結晶構造はルチル型であることが確認された。 FIG. 1 (right) shows images observed with a scanning electron microscope (SEM; JSM-6380A, JEOL Ltd.) and an atomic force microscope (AFM; SPI3800N, Seiko Instruments Inc.). The titanium oxide layer formed on the surface of the sample of Reference Example 2 had minute irregularities, and the surface was relatively rough (Ra = 71.29 nm). Further, it was confirmed by X-ray diffraction (XRD) that the crystal structure of titanium oxide of the sample of Reference Example 2 was a rutile type.
(碁盤目試験)
基盤とその表面に形成された酸化チタン層との間の密着性を、ISO2409(碁盤目試験)に従って評価した。酸化チタン層にステンレス綱製のカッターで碁盤目状に切り込みを入れ、粘着テープを貼り付け、ほぼ一定の力で引きはがした。その結果、参考例1のサンプル(ガラス基盤)、参考例2のサンプル(チタン基盤)、どちらについてもハガレは全く観察されず、評価は最高(Excellent level)であった。
(Cross cut test)
The adhesion between the substrate and the titanium oxide layer formed on the surface thereof was evaluated according to ISO 2409 (cross cut test). The titanium oxide layer was cut into a grid pattern with a stainless steel cutter, attached with adhesive tape, and peeled off with almost constant force. As a result, no peeling was observed at all for the sample of Reference Example 1 (glass substrate) and the sample of Reference Example 2 (titanium substrate), and the evaluation was excellent (Excellent level).
(鉛筆ひっかき試験)
基盤の表面に形成された酸化チタン層の機械強度を、ISO15184(鉛筆ひっかき試験)に従って評価した。酸化チタン層の面に対して鉛筆を45°に固定し、垂直に一定の力を加えながら動かした。鉛筆の硬度が軟らかい方(9B)から硬い方(9H)へ順次試験し、酸化チタン層に傷を付けなかった最も硬い硬度が評価結果となる。その結果、参考例1のサンプルの酸化チタン層の機械強度は鉛筆硬度の3Hに相当し、参考例2のサンプルの酸化チタン層の機械強度は鉛筆硬度の6Hに相当するものと評価された。
(Pencil scratch test)
The mechanical strength of the titanium oxide layer formed on the surface of the substrate was evaluated according to ISO15184 (pencil scratching test). The pencil was fixed at 45 ° with respect to the surface of the titanium oxide layer and moved while applying a constant force vertically. The pencil hardness is tested in order from the softer one (9B) to the harder one (9H), and the hardest hardness without scratching the titanium oxide layer is the evaluation result. As a result, it was evaluated that the mechanical strength of the titanium oxide layer of the sample of Reference Example 1 corresponds to 3H of pencil hardness, and the mechanical strength of the titanium oxide layer of the sample of Reference Example 2 corresponds to 6H of pencil hardness.
以上の2つの試験結果より、酸化チタン層は実用上十分な機械強度と基盤への密着性とを有することが分かり、高耐久性の分離膜として優れた効果を長期にわたって持続することが見込まれる。 From the above two test results, it can be seen that the titanium oxide layer has practically sufficient mechanical strength and adhesion to the substrate, and it is expected to maintain an excellent effect as a highly durable separation membrane over a long period of time. .
(接触角の測定)
参考例1のサンプルおよび参考例2のサンプルのそれぞれについて、酸化チタン膜の濡れ性を変化させるためにUVを照射し、その前後における、空気中での水との接触角(CAwater/air)、空気中での油との接触角(CAoil/air)および水中での油との接触角(CAoil/water)を測定した。油のモデルとしてn−ヘプタン(和光純薬株式会社)、ドデカン(和光純薬株式会社)およびn−ヘキサデカン(和光純薬株式会社)を用いた。UVの光源として300Wのキセノンランプを用い、照射強度は約15mW/cm2、照射時間は3時間とした。接触角の測定は自動接触角計(Drop Master 300、協和界面科学株式会社)を用いて、室温で、2μLの液滴について行い、空気中での水との接触角(CAwater/air)および空気中での油との接触角(CAoil/air)はθ/2法で、水中での油との接触角(CAoil/water)は接線法で算出した。水中での油との接触角(CAoil/water)を測定する際には、水として脱イオン水を用い、表面に油滴が付着しないとき(CAoil/water>165°)は針で抑えた。接触角は1つのサンプルについて少なくとも5箇所で測定した。
(Measurement of contact angle)
Each of the sample of Reference Example 1 and the sample of Reference Example 2 was irradiated with UV in order to change the wettability of the titanium oxide film, and the contact angle with water in the air before and after that (CA water / air ) The contact angle with oil in the air (CA oil / air ) and the contact angle with oil in water (CA oil / water ) were measured. As an oil model, n-heptane (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), dodecane (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and n-hexadecane (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were used. A 300 W xenon lamp was used as the UV light source, the irradiation intensity was about 15 mW / cm 2 , and the irradiation time was 3 hours. The contact angle is measured with an automatic contact angle meter (Drop Master 300, Kyowa Interface Science Co., Ltd.) on a 2 μL droplet at room temperature, and the contact angle with water in water (CA water / air ) and The contact angle with oil in the air (CA oil / air ) was calculated by the θ / 2 method, and the contact angle with oil in water (CA oil / water ) was calculated by the tangent method. When measuring the contact angle (CA oil / water ) with oil in water, deionized water is used as the water, and when no oil droplets adhere to the surface (CA oil / water > 165 °), it is suppressed with a needle. It was. The contact angle was measured at least at five locations for one sample.
表1に接触角の測定結果を示す。UV照射により、焼成チタンプレートの表面は両親媒性、すなわち超親水性(CAwater/air<5°)および超親油性(CAoil/air<5°)を示し、しかも3種類の油の何れに対しても水中で顕著な超撥油性(CAoil/water>165°)を示すようになった。この結果から、UV照射された酸化チタンの表面は水中で著しく油を弾くことが分かる。 Table 1 shows the measurement results of the contact angle. By UV irradiation, the surface of the calcined titanium plate is amphiphilic, ie, super hydrophilic (CA water / air <5 °) and super lipophilic (CA oil / air <5 °), and any of the three types of oils. Also showed remarkable super oil repellency (CA oil / water > 165 °) in water . From this result, it can be seen that the surface of titanium oxide irradiated with UV repels oil significantly in water.
図2に、参考例1のサンプルの表面に油滴としてn−ヘキサデカン(2μL)を接触させたときの様子を示す。UV照射前の酸化チタン層の表面(CAhexadecane/water=139.2±5.8°)に対しては、ニードル先端の球状の油滴を接触させると、ニードルを離すときに変形しながらも、表面に簡単に付着して残存した。一方、UV照射後の酸化チタン層の表面(CAhexadecane/water=169.5±2.7°)に対しては、ニードル先端の球状の油滴を強く押しつけても表面には付着せず、ニードルを離すと油滴は変形せずに簡単に表面から除去され、全く残存しなかった。
In FIG. 2, a mode when n-hexadecane (2 microliters) is made to contact the surface of the sample of the reference example 1 as an oil droplet is shown. When the spherical oil droplet at the tip of the needle is brought into contact with the surface of the titanium oxide layer before the UV irradiation (CA hexadecane / water = 139.2 ± 5.8 °), it will be deformed when the needle is released. Residually adhered to the surface. On the other hand, the surface of the titanium oxide layer after UV irradiation (CA hexadecane / water = 169.5 ± 2.7 °) does not adhere to the surface even if the spherical oil droplet at the tip of the needle is strongly pressed. When the needle was released, the oil droplets were easily removed from the surface without deformation and did not remain at all.
(CAoil/waterの実測値および計算値の比較)
水中での油との接触角(CAoil/water)は、下記式(1)(ヤングの式)に、空気中での水との接触角(CAwater/air)および空気中での油との接触角(CAoil/air)の実測値ならびに表面張力に文献値を代入することにより算出することができる。
(Comparison of actual and calculated CA oil / water values)
The contact angle (CA oil / water ) with oil in water is expressed by the following formula (1) (Young's formula), the contact angle with water in water (CA water / air ), and the oil in air. It can be calculated by substituting literature values for the actual measured value and surface tension of the contact angle (CA oil / air ).
前述したようにして測定されたCAoil/waterの実測値と、式(1)から算出される計算値との比較から、酸化チタンの濡れ性について次のように考察することができる。
基盤(酸化チタン)の表面と油滴が界面において均一に接触している場合は、CAoil/waterの実測値は計算値によく合致する。しかしながら、多孔質状の基盤(酸化チタン)の表面と油滴の間に水がトラップされている場合は、CAoil/waterの実測値は計算値よりも大きくなる。
From the comparison between the measured value of CA oil / water measured as described above and the calculated value calculated from Equation (1), the wettability of titanium oxide can be considered as follows.
When the surface of the substrate (titanium oxide) and oil droplets are in uniform contact at the interface, the measured value of CA oil / water agrees well with the calculated value. However, when water is trapped between the surface of the porous substrate (titanium oxide) and the oil droplets, the measured value of CA oil / water is larger than the calculated value.
このような複合的な濡れ状態は、Cassue-Baxterモデルに基づく下記式(2)によって記述することができる。 Such a complex wet state can be described by the following equation (2) based on the Cassue-Baxter model.
図3に水中での油との接触角(CAoil/water)の実測値および計算値を示す。参考例1のサンプルについて、UV照射前でもCAoil/waterの実測値は計算値より高くなっていることから、酸化チタン層の表面が平滑であってもいくらかの水がその表面と油滴の間にトラップされていることが示唆された。また、UV照射後は、3種類の油のいずれについてもCAoil/waterが著しく高くなっており、酸化チタン層の表面と油滴の間にトラップされている水の量がUV照射によって増加することが示唆された。これは、UV照射による光触媒機能で酸化チタン表面に付着していた汚染物質が分解され、それにより水が優先的に酸化チタン表面を被覆するようになったためだと考えられる。上述したようなUV照射による濡れ性の変化を図4に模式的に示す。 FIG. 3 shows measured values and calculated values of the contact angle (CA oil / water ) with oil in water . As for the sample of Reference Example 1, the measured value of CA oil / water is higher than the calculated value even before UV irradiation, so that even if the surface of the titanium oxide layer is smooth, some water is still on the surface and oil droplets. It was suggested that it was trapped in between. Moreover, after UV irradiation, CA oil / water becomes remarkably high for all three types of oil, and the amount of water trapped between the surface of the titanium oxide layer and the oil droplets is increased by UV irradiation. It has been suggested. This is considered to be because the pollutant adhering to the titanium oxide surface was decomposed by the photocatalytic function by UV irradiation, and water preferentially covered the titanium oxide surface. The change in wettability due to UV irradiation as described above is schematically shown in FIG.
一方、参考例2のサンプルについても、UV照射前においてCAoil/waterの実測値は計算値より高くなっているが、その差は参考例1のサンプルについてのものよりもさらに大きかった。これは、参考例2のサンプルの酸化チタン層の表面が比較的粗く、より多くの水をトラップできるためだと考えられる。UV照射後におけるCAoil/waterの実測値と計算値の差は、参考例1のサンプルの差と同等かやや小さかったが、CAoil/waterの実測値としては参考例1のサンプルとほぼ同等であった。 On the other hand, for the sample of Reference Example 2, the measured value of CA oil / water was higher than the calculated value before UV irradiation, but the difference was even greater than that for the sample of Reference Example 1. This is presumably because the surface of the titanium oxide layer of the sample of Reference Example 2 is relatively rough and can trap more water. The difference between the measured value and the calculated value of CA oil / water after UV irradiation was the same as or slightly smaller than the difference of the sample of Reference Example 1, but the measured value of CA oil / water was almost the same as the sample of Reference Example 1 Met.
ここで、UV照射後のCAoil/waterが上昇する理由として、上述したようにUV照射による光触媒機能で酸化チタン表面にもともと付着していた汚染物質が分解されることの効果(第1効果)の他に、UV照射によって生じるTi3+の欠陥に水の分子が強く吸引され、このような水分子からなる層が酸化チタン層の表面と油滴の間に形成されることの効果(第2効果)も考えられる。そこで、どちらの効果が主に寄与しているのかを、以下のようにして検証した。 Here, as the reason why CA oil / water increases after UV irradiation, as described above, the effect of decomposing contaminants originally attached to the titanium oxide surface by the photocatalytic function by UV irradiation (first effect) In addition to this, the effect of the fact that water molecules are strongly attracted to defects in Ti 3+ caused by UV irradiation, and a layer composed of such water molecules is formed between the surface of the titanium oxide layer and the oil droplets (first step). 2 effects) are also conceivable. Therefore, which effect contributed mainly was verified as follows.
まず、参考例1のサンプルをUV−O3クリーナー(PC440、メイワフォーシス株式会社)で洗浄し、このサンプルにもともと付着していた汚染物質を除去した(洗浄処理)。この洗浄処理の際のUV照射によって、あわせて酸化チタンの超親水化処理がなされることになる。続いて、そのサンプルを、汚染物質としてオレイン酸(和光純薬株式会社、0.5体積%)が添加されたn−ヘキサデカン溶液に浸漬し、9.9mm/sで引き上げ、50℃で20分間乾燥させた(汚染処理)。その後、そのサンプルのCAwater/airおよびCAhexadecane/waterを測定した結果、汚染処理は洗浄処理(超親水化処理)の直後に行われているにもかかわらず、汚染処理によって超親水性および水中での超撥油性が失われていることが分かった。もしも前記第2効果によって、洗浄処理後に水分子からなる層が酸化チタン層の表面に形成されているとすれば、汚染処理によっても油(n−ヘキサデカン)および汚染物質(オレイン酸)は酸化チタン表面には付着せず、超親水性および水中での超撥油性は失われないはずである。このことから、本発明の作用効果に対して、前記第2効果はほとんど寄与せず、主に前記第1効果が寄与していると推察される。 First, the sample of Reference Example 1 was washed with a UV-O 3 cleaner (PC440, Meiwa Forsys, Inc.), and contaminants originally attached to this sample were removed (cleaning treatment). The super-hydrophilic treatment of titanium oxide is also performed by the UV irradiation during the cleaning treatment. Subsequently, the sample was immersed in an n-hexadecane solution to which oleic acid (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 0.5% by volume) was added as a contaminant, pulled up at 9.9 mm / s, and at 50 ° C. for 20 minutes. Dried (contamination treatment). Thereafter, the CA water / air and CA hexadecane / water of the sample were measured. As a result, although the contamination treatment was performed immediately after the washing treatment (superhydrophilic treatment), the contamination treatment caused superhydrophilicity and It was found that the super oil repellency was lost. If, due to the second effect, a layer made of water molecules is formed on the surface of the titanium oxide layer after the cleaning treatment, the oil (n-hexadecane) and the contaminant (oleic acid) are also oxidized by the contamination treatment. It does not adhere to the surface and should not lose its super hydrophilicity and super oil repellency in water. From this, it is surmised that the second effect hardly contributes to the operational effect of the present invention, and that the first effect mainly contributes.
さらに、以下の方法によって、酸化チタン層のUV照射による濡れ性の変化の特性を調べた。まず、上記と同様にして、汚染物質としてオレイン酸が添加されたn−ヘキサデカン溶液を参考例1のサンプルに接触させ、このサンプルの超親水性および水中での超撥油性を失わせた。次に、そのような状態にあるサンプルにUVを照射すると、失われた超親水性および水中での超撥油性が回復した。このような処理を少なくとも3回繰り返しても、超親水性および水中での超撥油性の回復が認められた。参考例2のサンプルについても同様の結果であった。したがって、酸化チタン層の表面の濡れ性は、何回か入れ替わった後でも、ダメージを与えることなく再生可能であることが分かった。 Furthermore, the characteristics of the wettability change due to UV irradiation of the titanium oxide layer were examined by the following method. First, in the same manner as described above, an n-hexadecane solution to which oleic acid was added as a contaminant was brought into contact with the sample of Reference Example 1 to lose the super hydrophilicity and super oil repellency in water of the sample. Next, when the sample in such a state was irradiated with UV, the lost super hydrophilicity and the super oil repellency in water were recovered. Even when such treatment was repeated at least three times, recovery of super hydrophilicity and super oil repellency in water was observed. Similar results were obtained for the sample of Reference Example 2. Therefore, it was found that the wettability of the surface of the titanium oxide layer was reproducible without causing damage even after several changes.
[実施例]
参考例2と同様の条件でチタン製メッシュ(100メッシュ、孔径約150μm、株式会社ニラコ)を熱処理し、表面に酸化チタンからなる層を形成させたサンプル(酸化チタンメッシュサンプル)を作製した。
[Example]
A sample (titanium oxide mesh sample) in which a titanium mesh (100 mesh, pore diameter of about 150 μm, Nilaco Co., Ltd.) was heat-treated under the same conditions as in Reference Example 2 to form a layer made of titanium oxide on the surface was produced.
そのサンプルを用いて、図5に示すようにして油水分離試験を行った。まず、酸化チタンメッシュサンプルにUVを照射し(UVの照射条件は参考例2において前述した通りである)、脱イオン水に浸漬して表面に水の膜を形成させてから、ガラス漏斗の下に取り付けた。次に、スーダンIV(東京化成工業株式会社)で赤く着色した油(n−ヘキサデカン)およびメチレンブルー(関東化学株式会社)で青く着色した水(油:水=8mL:8mL)をホールピペットでガラス漏斗の上から注いだ。その結果、水だけが素早く酸化チタンメッシュサンプルを通過して下のビーカーに落ちる一方、油は酸化チタンメッシュサンプルの上に留まった。この際、外力は加えておらず、重力のみが働いていた。 Using the sample, an oil-water separation test was performed as shown in FIG. First, the titanium oxide mesh sample is irradiated with UV (UV irradiation conditions are as described above in Reference Example 2), immersed in deionized water to form a water film on the surface, and then placed under the glass funnel. Attached to. Next, oil (n-hexadecane) colored red with Sudan IV (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and water colored blue with methylene blue (Kanto Chemical Co., Ltd.) (oil: water = 8 mL: 8 mL) with a whole pipette Poured from above. As a result, only water quickly passed through the titanium oxide mesh sample and dropped into the lower beaker, while the oil remained on the titanium oxide mesh sample. At this time, no external force was applied and only gravity worked.
これに対して、UVを照射せずに酸化チタンメッシュサンプルを用いた場合、上記のような水と油の分離は行えなかった。油滴が酸化チタン層上の水の層に入り込む様子が観察され、それによって油が酸化チタンメッシュサンプルを通過してしまった。 On the other hand, when the titanium oxide mesh sample was used without irradiating UV, separation of water and oil as described above could not be performed. The appearance of oil droplets entering the water layer on the titanium oxide layer was observed, thereby causing the oil to pass through the titanium oxide mesh sample.
上記の結果から、UV照射によって超親水化された酸化チタン層を備えたメッシュは、油水分離用のフィルターとして利用できることが明らかとなった。この優れた油水分離能は酸化チタン層の水中での顕著な超撥油性に基づいており、酸化チタンメッシュサンプルへの油滴の付着はほとんど認められなかった。 From the above results, it became clear that a mesh provided with a titanium oxide layer superhydrophilicized by UV irradiation can be used as a filter for oil-water separation. This excellent oil / water separation ability was based on the remarkable super oil repellency of the titanium oxide layer in water, and almost no oil droplets were attached to the titanium oxide mesh sample.
しかも、酸化チタンメッシュは繰り返し油水分離能を発揮することができ、その稠密な表面構造により頑強で安定的であるものと考えられる。酸化チタンメッシュの水中での超撥油性は、UV照射後数時間暗所に置くと失われてしまうが、UVを照射すれば回復させることができる。したがって、酸化チタンメッシュは、高い油水分離能、耐久性および耐油汚染性と、容易な再利用性を兼ね備えた、油水分離用フィルターとして利用することができる。 Moreover, the titanium oxide mesh can repeatedly exhibit oil / water separation ability, and is considered to be robust and stable due to its dense surface structure. The super oil repellency of titanium oxide mesh in water is lost when placed in a dark place for several hours after UV irradiation, but can be recovered by UV irradiation. Therefore, the titanium oxide mesh can be used as a filter for oil / water separation having both high oil / water separation ability, durability and oil contamination resistance, and easy reusability.
Claims (4)
チタン製メッシュを焼成することで前記酸化チタン層を形成する焼成工程と、 A baking step of forming the titanium oxide layer by baking a titanium mesh;
前記酸化チタン層にUV照射を行うことで、前記酸化チタン層の、水中での、少なくとも1種の油との接触角を160°より大きくする超親水化処理工程と A superhydrophilization treatment step for increasing the contact angle of the titanium oxide layer with at least one kind of oil in water by performing UV irradiation on the titanium oxide layer;
を有することを特徴とする油水分離材の製造方法。The manufacturing method of the oil-water separation material characterized by having.
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