一種新型油水分離材料及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型油水分離材料及其使用方法，解決了現(xiàn)有材料耐久性不夠等問題。具體由基體及附著于基體表面的涂層組成，所述基體材料為泡沫鎳、泡沫銅或泡沫鈦中的一種；形成所述基體表面涂層的乳液，由改性樹脂、有機(jī)溶劑、低表面能物質(zhì)及納米粒子組成；將新型油水分離材料制作成具有連接口的容器，容器的連接口與泵的入口連接，建立油（有機(jī)物）水分離系統(tǒng)。該油（有機(jī)物）水分離系統(tǒng)在連續(xù)分離7天內(nèi)還等保持很好的疏水性，分離效率非常高，分離工作量能達(dá)到自身重量的萬倍以上。
【專利說明】
一種新型油水分離材料及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種油水分離材料及該材料的使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超疏水超親油材料對油和水有著不一樣的潤濕性質(zhì)，可以徹底分離水和油的混合 物，因此可應(yīng)用于油水分離系統(tǒng)中。目前，油水分離系統(tǒng)中應(yīng)用的超疏水超親油材料主要有 海綿，不銹鋼網(wǎng)、纖維布等。中國專利CN201510696202(-種基于單組份聚氨酯制備超疏水 超親油網(wǎng)布材料的方法)公開了利用浸涂方法制備超疏水超親油功能的網(wǎng)布，雖然網(wǎng)布具 有疏水性質(zhì)，但進(jìn)行油水分離時需要借助工具及設(shè)備支撐網(wǎng)布，使用起來比較麻煩，而且增 加系統(tǒng)體積，另外，網(wǎng)布涂層上的小分子易丟失，表面結(jié)構(gòu)容易被破壞，所以網(wǎng)布的耐久性 不高，不利于長期使用。專利CN201510483892( -種由蠟燭灰輔助的超疏水超親油油水分離 網(wǎng)膜及其制備方法和應(yīng)用)公開了在銅網(wǎng)上利用電化學(xué)沉積的方法制備超疏水超親油表面 的技術(shù)，該專利制備的涂層與基材結(jié)合力不好，表面粗糙結(jié)構(gòu)容易被破壞，導(dǎo)致油/水分離 耐久性不高。專利CN201510656105(-種超疏水超親油海綿材料的制備方法與應(yīng)用)涉及一 種超疏水超親油海綿的制備方法。因其對油的吸收量和有機(jī)溶劑的通量有限，且海綿的力 學(xué)強(qiáng)度也不足，導(dǎo)致其處理量和分離效率難以達(dá)到工程應(yīng)用的要求。
[0003] 因此，設(shè)計(jì)一個使用方便、超疏水超親油性能持久、不容易被破壞的油水分離材 料，并且利用該材料建立一個處理量大、分離效率高的油(有機(jī)物)水分離系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用 中有著重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種新型的油水分離材料，該材料的超疏水超親油性能持 久，不易被破壞，使用方便。
[0005] 本發(fā)明的另一個目的是提供該材料的使用方法，按照該方法建立的油水分離系 統(tǒng)，處理量大，分離效率高。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種新型油水分離材料，由基體 及附著于基體表面的涂層組成，所述基體材料為泡沫鎳、泡沫銅或泡沫鈦中的一種;形成所 述基體表面涂層的乳液，按照重量份計(jì)算，其組成為： 改性樹脂 80-98， 有機(jī)溶劑 60-100， 低表面能物質(zhì)0.01-5， 納米粒子 1.99-18， 所述改性樹脂，是在聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、氟化乙烯丙烯共聚物FEP、聚四氟乙烯 PTFE、聚苯硫醚PPS中，選取若干種，加入硅烷偶聯(lián)劑，再加入凹凸棒石粘土、分子篩、粉煤 灰、滑石粉中的一種或多種，經(jīng)過球磨而獲得;上述樹脂與無機(jī)填料的重量份數(shù)比為9-12: 1，樹脂與硅烷偶聯(lián)劑的重量份數(shù)比為100:1-3; 所述有機(jī)溶劑為乙酸乙酯、乙醇、正己烷中的一種或多種的混合； 所述低表面能物質(zhì)為聚二甲基硅氧烷PDMS、全氟辛基三乙氧基硅烷中的一種或兩種的 混合； 所述納米粒子為納米二氧化娃、碳納米管、納米碳化娃中的一種或多種的混合。
[0007] 優(yōu)選樹脂與無機(jī)填料的重量份數(shù)比為10:1。
[0008] 上述新型油水分離材料的制備方法是： (1) 基體表面預(yù)處理； (2) 形成所述涂層的乳液的制備 將改性樹脂、低表面能物質(zhì)及納米粒子加入到有機(jī)溶劑中后進(jìn)行超聲處理，直至粉末 完全分散到溶劑中； (3) 基體表面涂層的制備 將步驟(2)乳液均勻涂覆于基體表面，然后進(jìn)行常溫或加熱固化。
[0009] 上述新型油水分離材料的使用方法是： 將新型油水分離材料制作成具有連接口的容器，容器的連接口與栗的入口固定連接， 容器置于油水混合物或有機(jī)物與水的混合物中，栗的出口連接收集槽。
[0010] 本發(fā)明的有益效果： (1) 本油水分離材料制備過程中，低表面能物質(zhì)和改性樹脂發(fā)生微相分離，改性樹脂向 下沉積，提高了涂層與泡沫金屬的粘接力。低表面能物質(zhì)向上迀移，降低了涂層的表面能。 無機(jī)填料與納米粒子相結(jié)合，提供了超疏水表面的納微結(jié)構(gòu)，使其具有超疏水超親油的性 質(zhì)； (2) 本發(fā)明材料使用方法，不僅可以分離油水混合物，還可以分離重于水的有機(jī)物。油 (有機(jī)物)水分離系統(tǒng)在連續(xù)分離7天內(nèi)還等保持很好的疏水性，分離效率非常高，分離工作 量能達(dá)到自身重量的萬倍以上。在分離過程中不會污染油(有機(jī)物），而且性能穩(wěn)定，在不使 用時也不會發(fā)生質(zhì)變，不會影響其使用； (3) 由于本發(fā)明提供的油水分離材料制備工藝簡單，只需要一步簡單的噴涂，涂層厚度 可控，不需要任何復(fù)雜的設(shè)備，原料來源廣泛，生產(chǎn)周期短。所有原材料和溶劑都是無毒或 低毒的，在制備的過程中，沒有與其他化學(xué)品的直接接觸的過程，就算發(fā)生直接接觸也不會 對人身安全產(chǎn)生明顯的影響。
【附圖說明】
[0011] 圖1為未噴涂的泡沫鎳表面的SEM圖。
[0012]圖2為實(shí)施例1中泡沫鎳容器的SEM圖。
[0013]圖3為實(shí)施例1中泡沫鎳容器在油水分離7天后的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明： 實(shí)施例1: 一、材料的制備 (1)泡沫鎳表面預(yù)處理： 采用濃硫酸和濃硝酸體積比3:1對泡沫鎳容器表面進(jìn)行處理后，放入乙醇溶液中進(jìn)行 超聲清洗，以去除其表面油脂、灰塵等雜質(zhì)，乙醇溶液質(zhì)量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將10份PU樹脂，20份FEP樹脂，30份PTFE，20份PVDF，8份滑石粉和0.8份硅烷偶聯(lián)劑經(jīng) 過球磨機(jī)研磨4小時； ② 將上述80份改性樹脂，2份PDMS，18份碳納米管加入100份乙醇溶劑中后放入超聲儀 進(jìn)行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3) 在泡沫鎳表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.6mm的噴槍，并調(diào)整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為15m，在噴涂壓 力為50kPa和移動速度為5cm/s的條件下進(jìn)行噴涂，至泡沫鎳表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進(jìn)行噴涂的泡沫鎳加熱至200度，固化3小時； (5) 容器的制作： 將泡沫鎳基材制作成3cm X 3cm X 3cm正方形容器。
[0015]二、油水分離實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)涉及到的油水分離效率，其計(jì)算公式如下：
栗的入口管連接泡沫鎳容器，并使容器置于潤滑油和水混合物中，容器中水為700ml和 潤滑油為200ml，當(dāng)200ml潤滑油分離結(jié)束時，再添加200ml潤滑油，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束;栗的出口 連接管道收集槽。調(diào)整栗壓，使?jié)櫥屯糠€(wěn)定在lSOOLn^lT 1~1800Lnf ，進(jìn)行7天油水分 離（每天工作10小時）。7天后管道收集槽中吸收油95.47升，水0.86升，油水分離效率為 99.1% [ (1-0.86/95.47)*100%]，泡沫鎳容器7天后水的接觸角為131°。
[0016]三、水與有機(jī)物分離實(shí)驗(yàn)： 本實(shí)驗(yàn)涉及到的水與有機(jī)物分離效率，其計(jì)算公式如下：
栗的入口管連接泡沫鎳容器，并使容器位于水和氯仿混合物中（穩(wěn)定保持水和氯仿的 比例為7: 2)，而栗的出口連接管道收集槽。調(diào)整栗壓，使氯仿通量穩(wěn)定在^OOLn^lT1~ 43001^^^，進(jìn)行5天水與有機(jī)物分離（每天工作10小時）。5天后管道收集槽中收集氯仿 180.82升，水1.27升，水與有機(jī)物分離效率為99.3% [ (1-1.27/180.82)*100%]。
[0017]圖1為未噴涂的泡沫鎳表面的SEM圖；圖2為本實(shí)施例1制備的泡沫鎳容器的SEM 圖；可以看出本實(shí)施例1制備的泡沫鎳表面呈現(xiàn)微納米級的粗糙結(jié)構(gòu)；圖3為泡沫鎳容器在 油水分離7天后的SEM圖；可以看出腐蝕性溶液侵蝕泡沫鎳表面，導(dǎo)致涂層的損失，但損失 很少，所以表面還具有高疏水性。
[0018] 對比例1: (1) 將銅網(wǎng)分別在丙酮，無水乙醇和水中超聲清洗5分鐘； (2) 稱取1.4204g無水硫酸鈉和1.7048g二水合氯化銅，配制200ml的0.05mol/L電解質(zhì) 溶液； (3) 在配制的電解質(zhì)溶液中，以鉑片為陽極，將經(jīng)過預(yù)處理的銅網(wǎng)為陰極，在0.5V電壓 下電沉積6分鐘，溫度為25°C ; (4) 上步沉積后的銅網(wǎng)置于距離燃燒的蠟燭火焰2cm高處進(jìn)行蠟燭灰沉積4分鐘，自然 冷卻； (5) 油水分離實(shí)驗(yàn)： 將制備的銅網(wǎng)制作成正方體，栗的入口管連接銅網(wǎng)容器，使容器置于潤滑油和水混合 物中（穩(wěn)定保持水和潤滑油的比例為7:2)，而栗的出口連接管道收集槽。調(diào)整栗壓，使?jié)櫥?油通量穩(wěn)定在15001^^^~18001^^^，進(jìn)行1天油水分離，管道收集槽中收集潤滑油12.6 升，水1.89升，油水分離效率85.0%，疏水角為106°。
[0019] 對比實(shí)施例1可以看出，油水分離效率及疏水角都有明顯的下降。
[0020] 實(shí)施例2: 一、材料的制備 (1) 泡沫銅表面預(yù)處理： 采用噴砂辦法對泡沫銅表面進(jìn)行快速表面處理后放入乙醇溶液中進(jìn)行超聲清洗，以去 除其表面油脂、灰塵等雜質(zhì)，乙醇溶液質(zhì)量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將10份PU樹脂，20份FEP樹脂，30份PTFE，20份PVDF，8份滑石粉和2.4份硅烷偶聯(lián)劑經(jīng) 過球磨機(jī)研磨4小時； ② 上述80份改性樹脂，2份TOMS，18份碳納米管加入100份乙醇溶劑后放入超聲儀進(jìn)行 超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3) 在泡沫銅表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.2mm的噴槍，并調(diào)整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為10m，在噴涂壓 力為20kPa和移動速度為2cm/s的條件下進(jìn)行噴涂，至泡沫銅表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進(jìn)行噴涂的泡沫銅加熱至280度，固化3小時； (5) 容器的制作： 將泡沫銅基材制作成lcm X lcm X 9cm長方形容器。
[0021]二、油水分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。7天后管道收集槽中收集油94.02升，水1.04升，油水分離效率為 98.9%。泡沫銅容器在7天后水的接觸角為132°。
[0022]三、水與有機(jī)物分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿179.37升，水1.81升水，水與有機(jī)物 分離效率為99.0%。
[0023] 實(shí)施例3: 一、材料的制備 (1) 泡沫鈦表面預(yù)處理： 采用7mol/L硝酸對泡沫鎳表面進(jìn)行處理后放入乙醇溶液中進(jìn)行超聲清洗，以去除其表 面油脂、灰塵等雜質(zhì)，乙醇溶液質(zhì)量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將28份PU樹脂，20份PPS樹脂，25份PTFE，25份PVDF樹脂，9.8份分子篩和1份硅烷偶 聯(lián)劑經(jīng)過球磨機(jī)研磨6小時，使其以后均勻分散在乳液中； ② 上述98份改性樹脂，0.01份PDMS，1.99份碳納米管加入80份正己烷溶劑后放入超聲 儀進(jìn)行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3 )在泡沫鈦表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為1mm的噴槍，并調(diào)整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為20m，在噴涂壓力 為lOOkPa和移動速度為7cm/s的條件下進(jìn)行噴涂，至泡沫鈦容器表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進(jìn)行噴涂的泡沫鈦加熱至220度，固化3小時； (5) 容器的制作： 將泡沫鈦基材制作成lcm X lcm X 9cm長方形容器。
[0024]二、油水分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。7天后管道收集槽中吸收油96.24升，水0.77升，油水分離效率為 99.2%。7天后水的接觸角為129°。
[0025]三、水與有機(jī)物分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。5天管道收集槽中吸收氯仿182.73升，水0.91升，與有機(jī)物分離效 率為99.5%。
[0026] 實(shí)施例4: 一、材料的制備 (1) 泡沫鎳表面預(yù)處理： 采用2mol/L硝酸對泡沫鎳表面進(jìn)行處理后放入乙醇溶液中進(jìn)行超聲清洗，以去除其表 面油脂、灰塵等雜質(zhì)，乙醇溶液質(zhì)量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將15份PU樹脂，35份FEP樹脂，35份PVDF樹脂，10份PPS樹脂，9.5份粉煤灰和1份硅烷 偶聯(lián)劑經(jīng)過球磨機(jī)研磨6小時； ② 上述94.99份改性樹脂，0.01份全氟辛基三乙氧基硅烷，5份納米碳化硅加入100份乙 醇溶劑后放入超聲儀進(jìn)行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3) 在泡沫鎳表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.4mm的噴槍，并調(diào)整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為15m，在噴涂壓 力為40kPa和移動速度為4cm/s的條件下進(jìn)行噴涂，至泡沫鎳容器表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進(jìn)行噴涂的泡沫鎳加熱至240度，固化3小時； (5) 容器的制作： 將泡沫鎳基材制作成3cm X 3cm X 3cm正方形容器。
[0027]二、油水分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。7天后管道收集槽中吸收油101.05升，水0.61升，油水分離效率為 99.4%。7天后水的接觸角為133°。
[0028]②水與有機(jī)物分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿185.64升，水0.74升，水與有機(jī)物分 離效率為99.6%。
[0029] 實(shí)施例5: 一、材料的制備 (1) 泡沫銅表面預(yù)處理： 采用7mol/L鹽酸對泡沫銅表面進(jìn)行處理后放入乙醇溶液中進(jìn)行超聲清洗，以去除其表 面油脂、灰塵等雜質(zhì)，乙醇溶液質(zhì)量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將22份PU樹脂，25份FEP樹脂，25份PTFE樹脂，20份PVDF，3份凹凸棒石粘土，6份分子 篩和2份硅烷偶聯(lián)劑經(jīng)過球磨機(jī)研磨8小時； ② 上述92份改性樹脂，5份PDMS，2份納米疏水二氧化硅和1份碳納米管加入60份乙酸 乙酯溶劑后放入超聲儀進(jìn)行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3) 在泡沫銅表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.6mm的噴槍，并調(diào)整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為10m，在噴涂壓 力為80kPa和移動速度為6cm/s的條件下進(jìn)行噴涂，至泡沫銅表面噴勻； (4) 材料固化： 將已進(jìn)行噴涂的泡沫銅在室溫下固化； (5) 容器的制作： 將泡沫銅基材制作成3cm X 3cm X 3cm正方形容器。
[0030]二、油水分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。7天后管道收集槽中吸收油98.65升，水0.69升，油水分離效率為 99.3%。7天后水的接觸角為131°。
[0031]三、水與有機(jī)物分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿182.27升，水1.10升，水與有機(jī)物分 離效率為99.4%。
[0032] 實(shí)施例6: 一、材料的制備 (1) 泡沫鈦表面預(yù)處理： 采用濃鹽酸酸和濃硝酸體積比3:1對泡沫鈦表面進(jìn)行處理后放入乙醇溶液中進(jìn)行超聲 清洗，以去除其表面油脂、灰塵等雜質(zhì)，乙醇溶液質(zhì)量濃度為75%，取出并自然晾干； (2) 形成所述涂層的乳液的制備： ① 將34份PU樹脂，20份FEP，10份TFE樹脂，25份PVDF，3份滑石粉，5份粉煤灰和2.5份硅 燒偶聯(lián)劑經(jīng)過球磨機(jī)研磨8小時； ② 上述89份改性樹脂，1份全氟辛基三乙氧基硅烷，10份碳納米管和5份納米碳化硅加 入80份正己烷溶劑后放入超聲儀進(jìn)行超聲處理，直至粉末完全分散到溶劑中； (3 )在泡沫鈦表面噴涂乳液： 采用噴嘴直徑為0.5mm的噴槍，并調(diào)整噴槍的噴嘴與待噴涂面的距離為10m，在噴涂壓 力為60kPa和移動速度為5cm/s的條件下進(jìn)行噴涂，至泡沫鈦表面噴勻； (4)材料固化： 將已進(jìn)行噴涂的泡沫鈦基材加熱至150度，固化3小時； (5)容器的制作： 將泡沫鈦基材制作成lcm X lcm X 9cm長方形容器。
[0033]二、油水分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。7天后管道收集槽中吸收油94.75升，水0.95升，油水分離效率為 99.0%。7天后水的接觸角為132°。
[0034]三、水與有機(jī)物分離實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)方法同實(shí)施例1。5天后管道收集槽中吸收氯仿179.86升，水1.63升，水與有機(jī)物分 離效率為99.1%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種新型油水分離材料，由基體及附著于基體表面的涂層組成，所述基體材料為泡 沫鎳、泡沫銅或泡沫鈦中的一種;形成所述基體表面涂層的乳液，按照重量份計(jì)算，其組成 為： 改性樹脂 80-98， 有機(jī)溶劑 60-100， 低表面能物質(zhì)0.01-5， 納米粒子 1.99-18， 所述改性樹脂，是在聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、氟化乙烯丙烯共聚物FEP、聚四氟乙烯 PTFE、聚苯硫醚PPS中，選取若干種，加入硅烷偶聯(lián)劑，再加入凹凸棒石粘土、分子篩、粉煤 灰、滑石粉中的一種或多種，經(jīng)過球磨而獲得;上述樹脂與無機(jī)填料的重量份數(shù)比為9-12: 1，樹脂與硅烷偶聯(lián)劑的重量份數(shù)比為100:1-3; 所述有機(jī)溶劑為乙酸乙酯、乙醇、正己烷中的一種或多種的混合； 所述低表面能物質(zhì)為聚二甲基硅氧烷TOMS、全氟辛基三乙氧基硅烷中的一種或兩種的 混合； 所述納米粒子為納米二氧化娃、碳納米管、納米碳化娃中的一種或多種的混合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型油水分離材料，其特征在于:樹脂與無機(jī)填料的重量份數(shù) 比為10:1。3. 權(quán)利要求1所述的新型油水分離材料的制備方法是： (1) 基體表面預(yù)處理； (2) 形成所述涂層的乳液的制備 將改性樹脂、低表面能物質(zhì)及納米粒子加入到有機(jī)溶劑中后進(jìn)行超聲處理，直至粉末 完全分散到溶劑中； (3) 基體表面涂層的制備 將步驟(2)乳液均勻涂覆于基體表面，然后進(jìn)行常溫或加熱固化。4. 權(quán)利要求1所述的新型油水分離材料的使用方法是： 將新型油水分離材料制作成具有連接口的容器，容器的連接口與栗的入口固定連接， 容器置于油水混合物或有機(jī)物與水的混合物中，栗的出口連接收集槽。
【文檔編號】B01D17/022GK105879429SQ201610333634
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】汪懷遠(yuǎn), 胡玥, 朱艷吉, 李洪偉, 王池嘉
【申請人】東北石油大學(xué)