CN106012291A - 一种具有优异抗污能力的油水分离纤维膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种抗污染大通量的纤维油水分离膜及其制备方法，属于新材料技术领域。我们选取了聚丙烯腈和氧化石墨烯作为制备原料，通过静电纺丝技术和碱处理方法制备了水解聚丙烯腈和氧化石墨烯复合纤维膜。该纤维膜的纤维具有很多纺锤状节点，这些节点由氧化石墨烯诱发。此外，对纤维膜碱处理，提升膜的亲水性。对纤维膜形貌和表面亲水性的双重调控，显著增加了膜的油水乳液分离效率和抗污性能。该分离膜制备方法简单易行、安全环保，在含油废水处理方面具有很好的应用价值和市场前景。

Description

一种具有优异抗污能力的油水分离纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗污油水分离材料，具体涉及一种抗污染、大通量的纤维油水分离膜及其制备方法，属于新材料技术领域。
背景技术
随着科技的发展，工业的进步，世界各国对各类油品的需求量迅速增长。在油品开采、运输和使用的过程中，排放大量的含油污水，含油污水的直接排放会对环境和人类健康造成严重危害。因此，含油污水的有效处理，对环境保护、油类回收及水循环利用意义重大。油水分离膜，利用膜孔径的筛分及膜材料与物质的润湿性差异，可对含油污水进行简单、高效的分离，进而解决含油污水对环境污染严重的问题。但是，油水分离膜在使用过程中，由于油滴在膜表面和孔道内部的粘附堆积，致使膜通量快速下降，严重影响膜的使用寿命，制约了油水分离膜的推广使用。研发具有优异抗污能力的油水分离膜材料具有重大的意义。
最近研究表明，适当地调控膜表面形貌和增加材料的亲水性，可以显著地增强膜的抗污性。孟建强等人通过对商品聚偏氟乙烯膜表面改性，增强了膜表面的亲水性，使膜具有高抗污性可以在高浓度油水分离条件下长时间运行(公开号CN 104313796A)。张峰等人通过碱诱发聚丙烯腈相转化制备了羧基化聚丙烯腈油水分离膜。该膜具有超亲水性和低的油粘附性，可以对油水乳液实现快速分离，且分离后流量恢复率高达85％(Journal of Membrane Science,2016,513:67-73)。上述油水分离膜对油水混合物具有较好分离效果，具有一定的抗污能力。但是这些膜的制备和修饰过程较复杂，并且膜的水通量不高。此外，上述分离膜抗污性能的提高是通过单一调节膜表面的化学组成，提升程度有限。因此我们亟需找到一种制备通量高，抗污能力好的油水分离膜的方法。
我们选取了聚丙烯腈和氧化石墨烯作为反应的原材料，通过静电纺丝技术和碱处理方法制备了水解聚丙烯腈和氧化石墨烯复合多孔纤维膜。组成该纤维膜的纤维具有很多纺锤状节点，这些节点由氧化石墨烯诱发。然后，对该多孔纤维膜进行碱处理，对纤维表面水解，增加膜的亲水性。纤维膜的形貌和亲水性可以通过氧化石墨烯浓度和碱处理强度分别调控。经检测该多孔纤维膜具有很好的油水乳液分离能力和非常优异的抗污性能。聚丙烯腈化学性质稳定，价格低廉，是很好的多孔纤维膜材料；氧化石墨烯具有独特的二维结构，且表面和边缘含油丰富的含氧官能团，易于分散。水解聚丙烯腈和氧化石墨烯复合多孔纤维膜可以对油水乳液进行分离，且分离效果好、力学强度高，并且制备方法简单易行、安全环保，具有很好的应用价值和市场前景。
发明内容
本发明目的是采用一种简单、环保的方法制备一种可分离油水乳液，且分离效果好，力学强度高，不易受污染的油水乳液分离膜。
下面以聚丙烯腈和氧化石墨烯为例说明本发明的实现过程。我们选取了聚丙烯腈和氧化石墨烯作为反应的原材料，通过静电纺丝技术和碱处理方法制备了水解聚丙烯腈和氧化石墨烯复合多孔纤维膜。聚丙烯腈化学性质稳定，是很好的多孔纤维膜支撑材料；聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇二丙烯酸酯均具有良好的亲油亲水性，可以增强膜的分离性能；氧化石墨烯具有独特的二维结构，且表面和边缘含油丰富的含氧官能团，易于分散。水解聚丙烯腈和氧化石墨烯复合多孔纤维膜可以对油水乳液进行分离，且分离效果好、力学强度高，并且制备方法简单易行、安全环保，其通过以下具体步骤实现：
(1)将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺溶液中，常温下搅拌6小时。再把氧化石墨烯超声分散到二甲基甲酰胺中，浓度为30mg/mL。将聚丙烯腈和氧化石墨烯的溶液混合到一起，按照聚丙烯腈和氧化石墨烯的质量比10:1。将混合物在常温下磁力搅拌6小时，得到均匀混合溶液。
(2)注射器内吸入步骤(1)得到的均匀混合溶液，并安装20号针头。将注射器装入静电纺丝设备的注射泵中，调整注射泵的推进速度为1毫升每小时,调整针头到转辊接收器的距离为8～15厘米。在转辊接收器上覆盖一层锡箔纸，调整转辊接收器转动速度为60～100转每分钟。将高压电源的正高压接于注射器针头，调整电压为15～20千伏，将高压电源的负高压接于转辊接收器，调整电压为-1～-2千伏。
(3)启动注射泵***，在40℃条件下纺丝2小时，纺丝完成后从转辊接收器上揭下锡箔纸和多孔纤维膜，将其在80℃条件下干燥6小时。干燥后将多孔纤维膜从锡箔纸上揭下。
(4)将步骤(3)得到的多孔纤维膜放入10毫摩尔每升的氢氧化钠溶液中，在40～50℃条件下浸泡5小时。取出后放入1毫摩尔每升的稀盐酸中，在40～50℃条件下浸泡1小时。取出后用去离子水冲洗，在再60℃下干燥5小时。
本发明采用一种简单、环保的方法制备了可分离油水乳液，且分离效果好，力学强度高，不易受污染的多孔纤维膜，在含油污水处理方面具有巨大应用价值。
附图说明：
附图1为依据本发明所提供的多孔纤维膜的扫描电子显微镜图片。
附图2为依据本发明所提供的多孔纤维膜不同时刻水接触角图片。
附图3为油水乳液经过该材料分离前后对比图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例来详细描述本发明。
实施例1，取5毫升二甲基甲酰胺溶液，将0.525克聚丙烯腈加入到二甲基甲酰胺溶液中，在常温下磁力搅拌6小时，得到均匀混合溶液。取5毫升二甲基甲酰胺溶液，将150克氧化石墨烯加入到二甲基甲酰胺溶液中，在超声分散2小时，得到均匀混合溶液。向聚丙烯腈溶液中加入1.75毫升的氧化石墨烯分散液，磁力搅拌6小时，得到均匀混合溶液。5毫升注射器内吸入3毫升溶液，并安装20号针头，将注射器装入静电纺丝设备的注射泵中，调整注射泵的推进速度为1毫升每小时,调整针头到接收器的距离为8～15厘米。在转辊接收器上覆盖一层锡箔纸，调整接收器转动速度为60转每分钟。将高压电源的正高压接于注射器针头，调整电压为18千伏，将高压电源的负高压接于转辊接收器，调整电压为-1.5千伏。启动注射泵***，在40℃条件下纺丝2小时，纺丝完成后从转辊接收器上揭下锡箔纸和多孔纤维膜，将其在80℃条件下干燥6小时。干燥后将多孔纤维膜从锡箔纸上揭下。将干燥好的多孔纤维膜放入10毫摩尔每升的氢氧化钠溶液中，在40℃条件下浸泡5小时。取出后放入1毫摩尔每升的稀盐酸中，在40℃条件下浸泡1小时。取出后用去离子水冲洗，在再60℃下干燥5小时。
将最终干燥好的多孔纤维膜安装到溶液过滤器，在0.1bar压力下，倒入去离子水，测量纯水通量F1。然后，在0.1bar压力下，倒入润滑油乳液，测量渗透水通量F，F高达3700升每平方米每小时。测试结束后去离子水冲洗膜表面截留的润滑油，在倒入去离子水，测量纯水通量F2。通常F2比F1的值为流量恢复速率，测得流量恢复速率高达90％。
图1给出了多孔纤维膜的扫描电子显微镜图片，从图中可以看到，在纤维表面有明显的节点结构，纤维直径约为300～500纳米。
图2给出了多孔纤维膜不同时刻水接触角图片，从图中可以看到，纤维膜具有非常好的超亲水性，可以实现快速润湿。
图3为油水乳液经过该材料分离前后对比图，发现分离前后乳液颜色发生明显转变，表明多孔纤维膜对乳液有优异的分离效果。

Claims (1)

1.一种具有优异抗污性能的纤维油水分离膜，具体通过以下方法获得：
(1)将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺溶液中，常温下搅拌6小时，再把氧化石墨烯超声分散到二甲基甲酰胺中，浓度为30mg/mL，将聚丙烯腈和氧化石墨烯的溶液混合到一起，按照聚丙烯腈和氧化石墨烯的质量比10:1，将混合物在常温下磁力搅拌6小时，得到均匀混合溶液；
(2)注射器内吸入步骤(1)得到的均匀混合溶液，并安装20号针头，将注射器装入静电纺丝设备的注射泵中，调整注射泵的推进速度为1毫升每小时,调整针头到转辊接收器的距离为8～15厘米，在转辊接收器上覆盖一层锡箔纸，调整转辊接收器转动速度为60～100转每分钟，将高压电源的正高压接于注射器针头，调整电压为15～20千伏，将高压电源的负高压接于转辊接收器，调整电压为-1～-2千伏；
(3)启动注射泵***，在40℃条件下纺丝2小时，纺丝完成后从转辊接收器上揭下锡箔纸和多孔纤维膜，将其在80℃条件下干燥6小时，干燥后将多孔纤维膜从锡箔纸上揭下；
(4)将步骤(3)得到的多孔纤维膜放入10毫摩尔每升的氢氧化钠溶液中，在40～50℃条件下浸泡5小时，取出后放入1毫摩尔每升的稀盐酸中，在40～50℃条件下浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗，在再60℃下干燥5小时；
该多孔纤维膜可以对油水乳液进行分离，且分离效果好、抗污性能强。
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