CN112239896A - 一种聚丙烯纤维的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚丙烯纤维的制备方法及由该方法制备的聚丙烯纤维，包括以下步骤：S1.将聚丙烯树脂和抗氧剂混合后进行纺丝处理，得到聚丙烯长丝；S2.使所述聚丙烯长丝通过三级冷却处理，制得所述聚丙烯纤维。本发明方法工艺简便，生产路径短，根据本发明的方法制备的聚丙烯纤维孔径适中、机械强度高、分离性能优良，应用于处理含油污水中，对污水的除油效率高。本发明还提供了一种处理含油污水的装置，结构简单，消耗动力少，无需投加任何药剂，就能对污水中的油污起到较好的去除效果，且污染较低，在含油污水处理领域具有良好的应用前景。

Description

一种聚丙烯纤维的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯纤维的制备方法，由该方法制备的聚丙烯纤维材料，以及其在处理含油污水中的应用，还涉及一种处理含油污水的装置，属于水处理技术领域。

背景技术

含油污水的来源相当广泛，在石化行业中，石油的炼制、各种材料的加工过程中，会出现大量的含油污水，各种管道的清洗和使用过程也都会形成含油污水。未经过处理的含油污水排放到土壤或是江河湖泊中，会导致环境恶化，带来一系列灾难，还会使人类健康受到严重影响。对含油污水进行处理后达标排放，一方面可节约油、水两大宝贵资源，实现资源的回收与再利用，另一方面对环境保护、生态平衡建设以及人类健康的可持续发展等，具有极为重要的意义。

聚结法是油水分离的重要方法，是利用油、水两相对聚结材料亲和力相差悬殊的特性，实现两相分离，这种方法的过程是将含油污水通到装有聚结材料的装置中，利用油滴在这种材料中的聚结作用，实现油滴的由小变大，变大后的油滴能够利用油水之间的密度差，实现油滴自身的上浮，最终达到油水分离的目的。这种方法的处理过程简单，为物理过程，装置体积小，不会产生新的杂质，而且可以达到很高的分离效率。聚结材料选择原则为：耐油性能好，不能被油溶解或溶涨；具有一定的机械强度，且不易磨损；不易板结，冲洗方便。

常用的聚结材料包括板状、纤维和松散性固体颗粒等形式，纤维材料可做成各种形态的集合体固定在设备上，不存在填料流失问题，突破了松散性固体颗粒粒度的限制，同时纤维填料具有较高的孔隙率(ε＝0.85～0.99)，比其它几种介质材料的分离效率高。根据表面对油和水的吸附性，聚结纤维可分为亲油类和亲水类，在进行含油污水处理时，一般将亲油性材料作为首选，这类材料能够使污水中的油滴更好地聚结在材料表面上，提高分离效率。聚结纤维材料的直径会对聚结分离效果产生影响，细小的材料直径表面积大，孔隙尺寸小，对液滴之间的聚结过程和分离效率都能起到促进作用，但是纤维材料的直径过小时，聚结器压降増大，阻力相应増加，而压力増加会使聚结分离效果降低，同时纤维直径太小也会影响到材料本身强度，从而降低设备的服役时间。聚丙烯是一种亲油疏水材料，具有耐磨、强度高、耐腐蚀和耐热抗老化等特点，本发明通过简便的方法制备直径尺寸适中、机械强度高、分离性能优良的聚丙烯聚结纤维材料，并应用于炼化企业含油污水处理。

发明内容

本发明的目的是根据现有技术中存在的缺陷，提供一种聚丙烯纤维的制备方法，本发明方法工艺简便，生产路径短，根据本发明的方法制备的聚丙烯纤维孔径适中、机械强度高、分离性能优良，应用于处理含油污水中，对污水的除油效率高，本发明还提供了一种处理含油污水的装置，结构简单，消耗动力少，无需投加任何药剂，就能对污水中的油污起到较好的去除效果，且污染较低，在含油污水处理领域具有良好的应用前景。

根据本发明的一个方面，提供了一种聚丙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1.将聚丙烯树脂和抗氧剂混合后进行纺丝处理，得到聚丙烯长丝；

S2.使所述聚丙烯长丝通过三级冷却处理，制得所述聚丙烯纤维。

根据本发明的一些实施方式，所述步骤S1包括：

1A.将聚丙烯树脂和抗氧剂混合，经过熔融和脱泡处理，得到纺丝液；

1B.将所述纺丝液输送至喷丝头，经喷丝头挤出得到聚丙烯长丝。

根据本发明的优选实施方式，所述聚丙烯树脂和抗氧剂的质量比为(90-99):(1-10)，抗氧剂的添加量不超过10％，避免因添加量过多造成原料成分相容性差，制得的纤维结构不完整、各项性能下降的问题，优选(95-99):(1-5)。

根据本发明的优选实施方式，所述聚丙烯树脂的熔融指数为0.5-100g/10min，此熔融指数范围的聚丙烯树脂原料流动性、加工性及机械性能较好，熔融指数测试条件为温度230℃，负载砝码2.16公斤。

根据本发明的优选实施方式，所述抗氧剂包括抗氧剂1010、抗氧剂1076和抗氧剂1790中的至少一种。聚丙烯分子中含有叔碳链，受热易分解，抗氧剂的加入主要是防止聚丙烯分子分解，以免降低材料物理性能。抗氧剂可借助还原反应在氧存在情况下首先与氧反应，本身被氧化以保护需要保护的原物料；有些抗氧剂是一种自由基吸收剂即自由基清除剂，可以与氧化过程的中间产物结合，从而使氧化反应无法发生；抗氧剂还可以释放出氢离子将氧化过程中产生的过氧化物破坏分解，使氧化反应无法继续进行。

根据本发明的优选实施方式，所述聚丙烯树脂原料在使用前在70-90℃下干燥2-6小时，然后再与抗氧剂混合，优选所述混合在通氮气的条件下进行。若干燥时间过短，则制得的聚丙烯纤维产品性能不佳；若干燥时间过长，会降低制备效率。

根据本发明的优选实施方式，所述熔融处理的温度为175-230℃，时间为0.5-3h；所述脱泡处理的时间为0.5-5h。

根据本发明的优选实施例，所述步骤1A可按照如下方法进行：将聚丙烯树脂原料在70-90℃下干燥2-6小时，与抗氧剂在带有搅拌装置的纺丝釜中混合，然后加热至175-230℃，并在通氮气的条件下搅拌0.5-3h，混合均匀；停止搅拌后，静置脱泡0.5-5h，得到纺丝液。

根据本发明的一些实施方式，所述喷丝头的孔径为0.5-2mm，优选为0.5-1.5mm；温度为140-180℃，优选为150-170℃。

根据本发明的优选实施例，所述步骤1B可按照如下方法进行：过滤纺丝液，然后用计量泵将过滤后的纺丝液输送至喷丝头，以恒定的速率经喷丝头挤出得到聚丙烯长丝。

根据本发明的一些实施方式，所述步骤S2包括：

使所述聚丙烯长丝首先通过80-100℃的水浴停留5-20s进行冷却，然后通过40-60℃的水浴停留1-20s进行冷却，最后通过5-10℃的水浴停留1-20s进行冷却，制得所述聚丙烯纤维。

经过水浴处理后，用牵引轮卷绕收集所述聚丙烯纤维。

本发明通过将初生纤维经过三级不同的凝固浴进行冷却固化，可最大程度地降低纤维内部应力，防止应力开裂及翘曲变形等现象产生，改善聚丙烯纤维的力学和热学等性能。

根据本发明的一些实施方式，所述方法还包括以下步骤：

S3.分别用酸溶液和碱溶液对所述聚丙烯纤维进行浸泡处理，洗净烘干。

根据本发明的优选实施方式，所述酸溶液为盐酸溶液，浓度为0.5-1mol/L，优选0.5mol/L；所述碱溶液为氢氧化钠溶液，浓度为0.5-1mol/L，优选0.5mol/L。

根据本发明的优选实施方式，所述步骤S3可按照如下方法进行：将制得的聚丙烯纤维先在酸溶液中浸泡5-10h，然后在碱溶液中浸泡5-10h，用去离子水洗至中性，然后在60-80℃下干燥12-24h，出去表面的水分，即得。

通过上述处理后，可去除聚丙烯纤维表面的污染物。

根据本发明的另一个方面，还提供了上述聚丙烯纤维在处理含油污水中的应用，包括使含油污水通过所述聚丙烯纤维，使其中的油相和水相分离。

本发明的聚丙烯纤维为亲油性材料，当含油污水通过所述聚丙烯纤维时，由于油相和水相对聚丙烯纤维的亲和力不同，污水中的油滴聚结在聚丙烯纤维的表面，实现油滴的由小变大，变大后的油滴由于密度较小而上浮，进而实现油相和水相的分离。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种处理含油污水的装置，包括：

贮液罐，用于贮存含油污水；

与所述贮液罐相连的聚结器，其内装填有上述聚丙烯纤维，用于接收来自于所述贮液罐的含油污水并对其进行处理，使其中的油相和水相分离；

与所述聚结器相连的产水罐，用于接收来自于所述聚结器的水相；

与所述聚结器相连的集油罐，用于接收来自于所述聚结器的油相。

根据本发明的一些实施方式，所述聚丙烯纤维分层压实装填到聚结器的床层中，装填比为1/2。

根据本发明的优选实施方式，所述聚结器上设有污水进口、水相出口和油相出口。在一些具体的实施例中，所述油相出口设置于所述聚结器的上部，所述水相出口设置于所述聚结器的侧壁。

根据本发明的优选实施方式，所述装置还包括设置于所述贮液罐和聚结器之间的污水罐，所述污水罐设有污水进口、污水出口和气体进口，其污水进口通过管道与所述贮液罐连通，其污水出口通过管道与所述聚结器的进口连通，用于接收来自于贮液罐的污水并输送至聚结器。

根据本发明的优选实施方式，所述装置还包括设置于所述贮液罐和污水罐之间的管道上的污水泵，用于将贮液罐内的污水泵入污水罐内。

根据本发明的优选实施方式，所述装置还包括与所述污水罐的气体进口相连的气源，用于向所述污水罐内输入气体，增加压力，以将污水推入聚结器。在一些具体的实施例中，所述气源为氮气瓶。所述气源和污水罐之间通过管道连接，在该管道上设有稳压阀。

根据本发明的优选实施方式，所述装置还包括在所述污水罐与聚结器之间的管道上依次设置的流量调节阀、流量计和进料泵。

根据本发明的优选实施方式，所述产水罐通过管道与所述聚结器的水相出口连通，所述集油罐通过管道与所述聚结器的油相出口连通。

本发明处理含油污水的装置的工作过程和原理如下：

贮液罐内温度为30-50℃的含油污水通过污水泵泵入污水罐中，然后经由进料泵将污水罐内的液体泵入聚结器内，通过调节流量调节阀，控制进水流量在0.1-0.5m³/h内；污水中的油相慢慢附着在聚丙烯纤维表面，进而聚集形成油滴，大颗粒油滴被水相带着离开聚丙烯纤维表面，经由油相出口进入集油罐，脱除了油相的水相经由水相出口进入产水罐。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用上述装置处理含油污水的方法，包括：

(1)将聚丙烯纤维分层压实装填到聚结器的床层中，装填比为1/2；

(2)将贮液罐内的含油污水通过污水泵泵入污水罐中；

(3)开启流量调节阀、流量计、稳压阀和气源，经由进料泵将污水罐内的液体泵入聚结器内，通过调节流量调节阀，控制进水流量在0.1-0.5m³/h内；使污水中的油相慢慢附着在聚丙烯纤维表面，进而聚集形成油滴，大颗粒油滴被水相带着离开聚丙烯纤维表面，经由油相出口进入集油罐，脱除了油相的水相经由水相出口进入产水罐。

在上述技术方案中，所述含油污水的pH值为7-8，含油量为1183-1572mg/L。

根据本发明的优选实施方式，处理的含油污水的温度优选为30-50℃，若温度过高，虽然有利于除油率的提高，但长期高温运行会对纤维聚结材料的稳定性不利。

本发明的优点和有益技术效果如下：

本发明聚丙烯纤维的制备方法，方法工艺简便，生产路径短，易操作，能耗低，投资少，非常适合大规模工业化生产。本发明通过将初生纤维经过三级不同的凝固浴进行冷却固化，可最大程度地降低纤维内部应力，防止应力开裂及翘曲变形等现象产生，改善聚丙烯纤维的力学、热学及油水分离等性能。本发明的方法制备的聚丙烯纤维孔径适中、机械强度高、使用寿命长、分离性能优良、稳定性强，应用于处理含油污水中，对污水的除油效率高，本发明还处理含油污水的装置，结构简单，消耗动力少，无需投加任何药剂，就能对污水中的油污起到较好的去除效果，且污染较低，在含油污水处理领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明处理含油污水的装置结构示意图；

附图标记说明：1：气源；2：贮液罐；3：稳压阀；4：污水泵；5：污水罐；6：流量调节阀；7：流量计；8：进料泵；9：聚结器；10：产水罐；11：集油罐。

具体实施方式

以下结合具体实施例说明本发明，但这些实施例并不用来限制本发明的范围，该领域的技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

如无特别指明，实施例中使用的原料均为市售。

测试方法：

纤维力学性能的测试采用美国INSTRON公司的3342万能材料试验机测试。

水中含油量按照国家标准《GB/T 16488-1996水质石油类和动植物油的测定》进行测定；

除油率按下式计算：

式中，C₀表示污水罐中的含油污水的含油量，mg/L；

C表示产水罐中水相的含油量，mg/L。

如图1所示，本发明的处理含油污水的装置包括气源1、贮液罐2、稳压阀3、污水泵4、污水罐5、流量调节阀6、流量计7、进料泵8、聚结器9、产水罐10和集油罐11。

其中，贮液罐2用于贮存含油污水，其中的污水温度为30-50℃，其通过管道依次与污水泵4相连；污水泵4通过管道与污水罐5的污水进口，用于将贮液罐2内的含油污水泵入污水罐5中。气源1通过管道与污水罐5的气体进口相连，在该管道上设有稳压阀3，在本发明的实施例中，气源1优选为氮气瓶。污水罐5的污水出口通过管道与进料泵8相连，在该管道上依次设有流量调节阀6和流量计7，进料泵通过管道与聚结器9的进口相连，用于将污水罐5中的污水泵入聚结器9中进行处理。聚结器9内装填有聚丙烯纤维，以对污水进行处理，将油相和水相分离。聚结器包括油相出口和水相出口，油相出口通过管道与集油罐11相连，水相出口通过管道与产水罐10相连。

实施例1-39和对比例1-22

(1)取聚丙烯母料进行干燥处理，加入到带有搅拌装置的纺丝釜中与抗氧剂按比例混合，加热至一定温度熔融，并在通氮气条件下搅拌一端时间，停止搅拌后静置一段时间脱泡，得到聚丙烯纺丝液。

(2)纺丝液经过滤网过滤后，采用计量泵将纺丝液输送至喷丝头，之后以恒定速率挤出纺丝液熔体成为聚丙烯纤维丝，长丝三级水浴进行冷却，之后用牵引轮卷绕收集聚丙烯纤维长丝。

(3)制得的聚丙烯纤维先用0.5mol/L的HCI溶液浸泡一段时间，再用0.5mol/L的NaOH溶液浸泡一段时间，然后用去离子水冲洗至中性，在烘箱中干燥，除去表面吸附的水分，制得聚丙烯聚结纤维。

各步骤数据见表1。

实施例40-82和对比例23-48

采用图1所示的装置处理某炼化企业含油废水，该废水的pH7.0，含油量为1366mg/L。

(1)将实施例1-39和对比例1-23制备的聚丙烯纤维分别分层压实装填到聚结器的床层中，装填比为1/2。

(2)将贮液罐内温度为30-50℃的含油污水通过污水泵泵入污水罐中；

(3)开启流量调节阀、力量及、稳压阀和气源，经由进料泵将污水罐内的液体泵入聚结器内，通过调节流量调节阀，控制进水流量在0.1-0.5m³/h。

运行稳定后测取数据，计算得到除油率。

各实施例和对比例数据见表2。

在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50-90，在本说明书中它的意思是具体列举了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种聚丙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：

S1.将聚丙烯树脂和抗氧剂混合后进行纺丝处理，得到聚丙烯长丝；

S2.使所述聚丙烯长丝经过三级冷却处理，制得所述聚丙烯纤维。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

1A.将聚丙烯树脂和抗氧剂混合，经过熔融和脱泡处理，得到纺丝液；

1B.将所述纺丝液输送至喷丝头，经喷丝头挤出得到聚丙烯长丝。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯树脂和抗氧剂的质量比为(90-99):(1-10)，优选(95-99):(1-5)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述熔融处理的温度为175-230℃，时间为0.5-3h；所述脱泡处理的时间为0.5-2h。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述喷丝头的孔径为0.5-2mm，优选为0.5-1.5mm；温度为140-180℃，优选为150-170℃。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

使所述聚丙烯长丝首先通过80-100℃的水浴进行冷却，然后通过40-60℃的水浴进行冷却，最后通过5-10℃的水浴进行冷却，制得所述聚丙烯纤维。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

S3.分别用酸溶液和碱溶液对所述聚丙烯纤维进行浸泡处理，洗净烘干。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法制备的聚丙烯纤维。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的方法制备的聚丙烯纤维在处理含油污水中的应用，包括使含油污水通过所述聚丙烯纤维，使其中的油相和水相分离。

10.一种处理含油污水的装置，包括：

贮液罐，用于贮存含油污水；

与所述贮液罐相连的聚结器，其内填充有根据权利要求1-7中任一项所述的方法制备的聚丙烯纤维，用于接收来自于所述贮液罐的含油污水并对其进行处理，使其中的油相和水相分离；

与所述聚结器相连的产水罐，用于接收来自于所述聚结器的水相；

与所述聚结器相连的集油罐，用于接收来自于所述聚结器的油相。

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