CN112495353A - 一种用于连续回收水面薄油膜的集成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吸油管的制备方法和用于连续回收水面薄油膜的集成装置，集成装置包括搭载***、储油***、压力***和吸油组件，储油***和压力***设置在搭载***上；储油***包括储油罐、压力表、放气阀与泄油阀；放气阀安装在储油罐侧上方并与压力***相连；泄油阀安装在储油罐侧下方，用来排出收集到的油品；压力***与储油罐相连，用于提供连续收集油品所需动力；吸油组件漂浮于油水界面，包括连接管路和多根吸油管，多根吸油管并联在连接管路上，连接管路为闭合管路并通过接头与软管的一端连接，软管的另一端与储所述油罐连接。该装置能连续回收水面上的薄油膜，其灵活、高效、通量大、循环性能好且无二次污染。

Description

一种用于连续回收水面薄油膜的集成装置
技术领域
本发明涉及含油废水处理领域，特别是涉及一种用于连续回收水面薄油膜的集成装置。
背景技术
随着全球工业和经济的快速发展，原油及油性有机溶剂在开采、炼油、储油、运输过程中泄漏，工业过程(如纺织、皮革、金属加工等)中含油废水的排放，对海洋、河流、水上生态***造成了灾难性的危害，不仅造成巨大的经济损失，还严重威胁着水上生物，甚至人类的健康。据统计，每年大约有32亿立方吨油品或油性有机溶剂流入到水体中，而1吨石油可在水面形成面积为12千平方米的薄油膜。由此形成的薄油膜严重阻碍了正常的水汽交换过程，对水上生物、大气环境、食物链的影响都是灾难性的。因此，如何快速、高效的处理水上浮油，实现废油回用，已成为世界性难题之一。传统含油废水处理方法(如重力沉降、离心分离、气浮法、电化学法、生物处理等)已广泛被应用于实际油水体系的处理，但其在处理过程中通常存在一些问题，如油水选择性差，分离时间长，高能耗，产生二次污染等。因此，研发新一代高效的水上浮油处理技术已成为亟待解决的问题。
在水上浮油处理技术中，利用疏水亲油吸附材料对油品进行直接选择性吸附，是一种低能耗且高效的技术手段。近年来，研究人员发现将低表面能物质在多孔材料基体表面构筑微纳米粗糙结构，可制备出具有超浸润性(超疏水-超亲油)的吸附材料。相较于传统吸附材料(如麦秆、羊毛、活性炭、沸石、膨润土等)，其具有更大的吸附量的同时，油水选择性也得到了极大提高。其中，微纳米碳因其出色的化学稳定性、极大的比表面积以及自身的疏水-超亲油特性等，被广泛用于制备高性能吸附材料。然而，在吸附材料处理水上浮油过程中，当吸附进材料内的油品达到材料自身的饱和吸附量后，其吸附功能殆尽，须用一定方法(挤压、燃烧、萃取等)将其内部油品脱附或更换材料方可再次使用。因此，即便这类吸附材料拥有杰出的吸附量及油水选择性，其处理水上浮油的过程依然为间歇操作，无法连续-高效收集水上浮油，从而阻碍了其在实际处理大面积水面薄油膜中的应用。
为此，研究人员基于对微纳米碳吸附材料的研究，不断探索可连续-处理水上浮油的新材料及工艺。如，CN103521199A公开了一种中空管装复合吸油材料的制备方法，该复合吸油材料通过将中空管状多孔聚合物材料浸渍于石墨烯分散液中，经热处理后使得石墨烯吸附层负载于基质层表面，所制得的吸附材料对三氯乙烯、煤油、柴油最大吸附量分别可达169.4g/g、97.2g/g、88.6g/g，同时，将此材料一端密封放入甲苯/水溶液，另一端提供负压，可对油品实现连续动态吸附。CN104128866A公开了一种中空管状吸油材料及制备方法，该吸油材料以弹簧为芯部，外侧包裹片状海绵，海绵外层涂覆氧化石墨烯层。将该吸油材料放入油水体系中，一端提供负压装置，可实现对油水混合物的连续动态分离。虽然这些新型微纳米碳吸油材料与油水处理工艺可对油品进行连续收集，打破了传统吸附材料间歇操作模式，但均停留在实验室小试阶段，且对于水上薄油膜体系处理效果未知。
此外，实际油品泄漏事故中，水上浮油扩散极快，要求在处置过程中能迅速、精确捕捉到溢油点，并对溢油区域进行快速-高效分离，才会最大限度减轻危害。显然，这不仅需要材料和吸附模式的创新，更需要开发和设计集连续吸油、储油、驱动***与搭载***为一体的可快速-高效回收水面浮油的集成装置，从而实现对水面薄油膜的精确定位、连续吸附、高效回收。然而，国内外鲜有此类集成装置的报道，研发可高效回收水面薄油膜的集成装置变得急为紧要。
发明内容
为解决大面积水域溢油回收难题，本发明的一个目的是提供一种吸油管制备方法。本发明的另一目的是提供一种用所吸油管制成的可高效回收水面薄油膜的集成装置。
为此本发明技术方案如下：
一种吸油管的制备方法，包括以下步骤：
S1，微纳米碳分散液的制备：将质量分数为0.1～2wt.％的微纳米碳与无水乙醇混合，30℃下超声震荡1～2h，得到微纳米碳分散液；
S2，聚合物喷涂液的制备：所述聚合物喷涂液由以下质量分数的组分制备而成：
聚偏氟乙烯 1～6wt.％
硬脂酸 0.5～3wt.％
溶剂 91～98.5wt.％
其中，所述溶剂为聚偏氟乙烯，所述聚合物喷涂液的制备方法为：将所述硬脂酸加入到所述溶剂中，于40～80℃下搅拌2～4h后，再将所述聚偏氟乙烯加入到上述溶液中，继续搅拌2h，得到所述聚合物喷涂液；
S3，微纳米碳复合非织造布吸油材料的制备：将非织造布放入去离子水中清洗，以去除表面杂质，晾干后置于步骤(1)所得的微纳米碳分散液中浸渍1～10min，后置于烘箱中，于30～80℃烘干1～3h后取出；将步骤(2)所得的聚合物喷涂液倒入喷枪中，在0.1～0.5MPa压力下将喷涂液喷涂于烘干后的非织造布的两面，喷涂后将非织造布置于烘箱中，于30～80℃下烘干48～72h，得到微纳米碳复合非织造布吸油材料；
S4，吸油管的制备：将步骤(3)所得微纳米碳复合非织造布吸油材料卷绕于多孔聚合物中空管表面，接口处用胶粘接，制得所述吸油管，其中所述多孔聚合物中空管的外径为1-5cm，长度为10～50cm，孔的直径为0.1～1cm，相邻孔之间的间隔为0.1～1cm。，
优选的是，步骤S1中所述微纳米碳的平均粒径为0.5-10μm。
优选的是，步骤S3中所述非织造布的材质为聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或其中两种以任意比例混纺所得。
优选的是，步骤S2中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯中的任意一种或其中两种以任意比例的混合物。
优选的是，所述多孔聚合物中空管为多孔聚氯乙烯中空管、多孔聚氨酯中空管或多孔聚丙烯中空管。
优选的是，步骤S4中，所述微纳米碳复合非织造布吸油材料在多孔聚合物中空管表面卷绕1-2层，接口处用环氧树脂胶粘接。
一种用于连续回收回收水面薄油膜的集成装置，包括搭载***、储油***、压力***和吸油组件，
所述储油***和压力***设置在搭载***上；
所述储油***包括储油罐、压力表、放气阀与泄油阀，其中压力表安装在储油罐上方，用于监测罐体内部压力；所述放气阀安装在储油罐侧上方，并与压力***相连，用于调节罐体内压力；所述泄油阀安装在储油罐侧下方，用来排出收集到的油品；
所述压力***与储油罐相连，用于提供连续收集油品所需动力；
所述吸油组件漂浮于油水界面，包括连接管路和上述制备方法制备的多根吸油管，所述多根吸油管并联在连接管路2上，连接管路2为闭合管路并通过接头3与软管4的一端连接，软管4的另一端与储所述油罐7连接。可以将所述吸油组件水平设置在一浮体上，使其漂浮于油水界面。
上述搭载***为船或无人艇，无人艇长100-500cm，高500-1000cm，宽100-500cm，空载重量20-100kg，遥控距离1-10km，材质为航海铝合金。
优选的是，所述储油罐容量为50-99L，所述软管4的内径为0.6-1cm。
优选的是，所述压力***为隔膜真空泵，所述隔膜真空泵流量为30-120L/min。
本发明具有以下有益效果：
本发明的方法制备的吸油管，其外部包裹的微纳米碳复合非织造布吸油材料对油品有着极强的亲和力而同时拒水。在集成装置工作过程中，水面上的浮油会被微纳米碳复合非织造布吸油材料吸附进吸油组件内，并通过压力驱动经由管路连续收集到储油罐内，此过程同时促进更多的油品被连续吸附和收集，从而实现连续-动态薄油膜回收。
本发明的集成装置无饱和吸附量上限，对水上薄油膜回收效率高达87％以上，其使用灵活、高效、通量大、循环性能好且无二次污染。利用该集成装置可高效处理海洋、河流、港口码头等场景的含油废水及油性危化品泄溢事故。
此外，相较于传统的水上浮油处理技术，该集成装置还可极大降低作业人员的风险。当搭载***为无人艇时，该集成装置可实现远程遥控追踪溢油区域，无需人员在搭载***上操作即可对水面薄油膜进行连续-高效回收，避免作业人员直接接触油性危化品，从而在极大提升效率的同时，也保证了作业人员的健康安全。
附图说明
图1是本发明用于连续回收水面薄油膜的集成装置的结构示意图；
图2是本发明中吸油管的结构示意图。
图中：
1-吸油管，2-管路，3-接头，4-软管，5-搭载***，6-压力表，7-储油罐，8-放气阀，9-泄油阀，10-压力装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的吸油管，即微纳米碳复合非织造布吸油材料包覆多孔聚合物中空管的制备方法，包括如下步骤：
(1)微纳米碳分散液的制备：将质量分数为0.5wt.％，平均粒径为2.87μm的微纳米碳与无水乙醇混合，30℃下超声震荡2h得到微纳米碳分散液；
(2)聚合物喷涂液的制备：将2wt.％硬脂酸加入到95wt.％的N,N-二甲基甲酰胺中，于80℃下搅拌2h后，再将3wt.％聚偏氟乙烯加入上述溶液中继续搅拌2h，得到所述聚合物喷涂液；
(3)微纳米碳复合非织造布吸油材料的制备：将聚对苯二甲酸乙二醇酯非织造布放入去离子水中清洗，以去除表面杂质，晾干后置于步骤(1)所得的微纳米碳分散液浸渍5min，后置于烘箱中80℃烘干2h后取出；将步骤(2)所得的聚合物喷涂液倒入喷枪中，在0.2MPa压力下将喷涂液喷涂于烘干后的非织造布两面，喷涂后将非织造布置于烘箱中80℃下烘干48h即得到微纳米碳复合非织造布吸油材料；
(4)吸油管的制备：将步骤(3)所得微纳米碳复合非织造布吸油材料卷绕于多孔聚氯乙烯中空管表面(卷绕2层)，其中管外径为5cm，长度为20cm，孔直径为0.1cm，相邻孔的间隔为0.1cm，微纳米碳复合非织造布吸油材料的接口处用环氧树脂胶与中空管表面或其自身粘接，即制得所述吸油管。其剖面示意图见图2，其中10为微纳米碳复合非织造布吸油材料，20为多孔聚合物中空管。
经测试，此吸油管水接触角为122.6°，在压力为-0.02MPa对煤油的通量为7928L/m2h。
当需要处理水上浮油时，通过搭载***将回收装置运至水面油品泄溢点，将吸油组件置于油水界面处并开启压力***，漂浮于油水界面的吸油组件即可对薄油膜进行连续收集，该组件无饱和吸附量上限，且收集到的油品集中储存在储油罐内，便于集中处理或再利用。同时，吸油组件可通过搭载***在水面自由移动，当某一区域薄油膜处理完后，可迅速转移到另一待处理区域进行再次处理，极大地增加了工作效率。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的吸油管，即微纳米碳复合非织造布吸油材料包覆多孔聚合物中空管的制备方法，包括如下步骤：
(1)微纳米碳分散液的制备：将质量分数为1wt.％，平均粒径为4.36μm的微纳米碳与无水乙醇混合，30℃下超声震荡2h既得微纳米碳分散液；
(2)聚合物喷涂液的制备：将1wt.％硬脂酸加入95wt.％N,N-二甲基乙酰胺中，于60℃下搅拌1h后，再将4wt.％聚偏氟乙烯加入上述溶液中继续搅拌2h，即得所述聚合物喷涂液；
(3)微纳米碳复合非织造布吸油材料的制备：将聚丙烯非织造布放入去离子水中清洗，以去除表面杂质，晾干后置于步骤(1)所得的微纳米碳分散液浸渍2min，后置于烘箱中60℃烘干2h后取出；将步骤(2)所得的聚合物喷涂液倒入喷枪中，在0.1MPa压力下将喷涂液喷涂于烘干后的非织造布两面，喷涂后将非织造布置于烘箱中70℃下烘干72h即得到微纳米碳复合非织造布吸油材料；
(4)吸油管的制备：将步骤(3)所得微纳米碳复合非织造布吸油材料卷绕于多孔聚氯乙烯中空管表面(卷绕2层)，其中管外径5cm，长度50cm，孔直径1cm，相邻孔的间隔为0.5cm，微纳米碳复合非织造布吸油材料的接口处用环氧树脂胶与中空管表面或其自身粘接，即制得所述吸油管。
经测试，此吸油管水接触角为145.6°，在压力为-0.02MPa下对煤油的通量为11278L/m2h。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的吸油管，即微纳米碳复合非织造布吸油材料包覆多孔聚合物中空管的制备方法，包括如下步骤：
(1)微纳米碳分散液的制备：将质量分数为1.5wt.％，平均粒径为1.86μm的微纳米碳与无水乙醇混合，30℃下超声震荡3h既得微纳米碳分散液；
(2)聚合物喷涂液的制备：将1.5wt.％硬脂酸加入95.5wt.％磷酸三乙酯中，于70℃下搅拌2h后，再将3wt.％聚偏氟乙烯加入上述溶液中继续搅拌3h，既得所述聚合物喷涂液；
(3)微纳米碳复合非织造布吸油材料的制备：将聚酰胺非织造布放入去离子水中清洗，以去除表面杂质，晾干后置于步骤(1)所得的微纳米碳分散液浸渍4min，后置于烘箱中70℃烘干1h后取出；将步骤(2)所得的聚合物喷涂液倒入喷枪中，在0.3MPa压力下将喷涂液喷涂于烘干后的非织造布两面，喷涂后将非织造布置于烘箱中70℃下烘干60h即得到微纳米碳复合非织造布吸油材料；
(4)吸油管的制备：将步骤(3)所得微纳米碳复合非织造布吸油材料卷绕于多孔聚聚丙烯中空管表面(卷绕1层)，其中管外径5cm，长度40cm，孔直径2cm，相邻孔的间隔为0.1cm，微纳米碳复合非织造布吸油材料的接口处用环氧树脂胶与中空管表面或其自身粘接，即制得所述吸油管。
经测试，此吸油管水接触角为133.2°，在压力为-0.02MPa下对煤油的通量为9278L/m2h。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的集成装置的制备及应用。
如图1所示，将实施例3制得的9根吸油管通过管路2并排连接得到所述吸油组件，将得到的吸油组件通过接头2与软管3连接，软管内径为0.6cm，软管3另一侧连接储油罐7，所用储油罐7容积为50L，储油罐上方安装负压压力表6，侧方分别安装放气阀8与泄油阀9，放气阀通过真空管路与真空泵10连接。压力***与储油***置于搭载***无人艇5，无人艇长度200cm，高度510cm，宽度150cm，空载重量35kg，遥控距离1km，材质为航海铝合金。
为模拟实际水上浮油，将10L煤油倒入水池水面上，将所制得的集成装置置于油水界面上，开启电源，将压力调节至-0.02MPa，启动集成装置，此时，由于吸油组件中，吸油管外部包裹的微纳米碳复合非织造布吸油材料对油品有着极强的亲和力而同时拒水，水面上的浮油会被微纳米碳复合非织造布吸油材料吸附进吸油组件内，并通过压力驱动经由管路连续收集到储油罐内，此过程同时促进更多的油品被连续吸附与收集，从而实现连续-动态薄油膜回收。同时，可通过控制无人艇来调节吸油膜组件的位置，实现对水上薄油膜的精确追踪与回收。经测试，用此方法制得的集成装置对水上薄油膜回收效率可达90.2％。
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的集成装置的制备及应用。
按照图1的连接关系，将实施例2制得的12根吸油管通过管路2并排连接得到所述吸油组件，将得到的吸油组件通过接头3与软管4连接，软管4内径为0.6cm，软管4另一侧连接储油罐7，所用储油罐7容积为75L，储油罐上方安装负压压力表6，侧方分别安装放气阀8与泄油阀9，放气阀通过真空管路与真空泵10连接。压力***与储油***置于搭载***无人艇5，无人艇长度350cm，高度550cm，宽度120cm，空载重量45kg，遥控距离1.5km，材质为航海铝合金。
为模拟实际水上浮油，将20L柴油倒入水池水面上，将所制得的集成装置置于油水界面上，开启电源，将压力调节至-0.02MPa，启动集成装置，此时，由于吸油组件中，吸油管外部包裹的微纳米碳复合非织造布吸油材料对油品有着极强的亲和力而同时拒水，水面上的浮油会被微纳米碳复合非织造布吸油材料吸附进吸油组件内，并通过压力驱动经由管路连续收集到储油罐内，此过程同时促进更多的油品被连续吸附与收集，从而实现连续-动态薄油膜回收。同时，可通过控制无人艇来调节吸油膜组件的位置，实现对水上薄油膜的精确追踪与回收。经测试，用此方法制得的集成装置对水上薄油膜回收效率可达87.3％。
实施例6
本实施例用于说明本发明提供的集成装置的制备及应用。
按照图1的连接关系，将实施例2制得的12根吸油管通过管路2并排连接得到所述吸油组件，将得到的吸油组件通过接头2与软管3连接，软管内径为0.8cm，软管3另一侧连接储油罐7，所用储油罐7容积为70L，储油罐上方安装负压压力表6，侧方分别安装放气阀8与泄油阀9，放气阀通过真空管路与真空泵10连接。压力***与储油***置于搭载***船5。
为模拟实际水上浮油，将30L煤油倒入水池水面上，将所制得的集成装置置于油水界面上，开启电源，将压力调节至-0.02MPa，启动集成装置，此时，由于吸油组件中，吸油管外部包裹的微纳米碳复合非织造布吸油材料对油品有着极强的亲和力而同时拒水，水面上的浮油会被微纳米碳复合非织造布吸油材料吸附进吸油组件内，并通过压力驱动经由管路连续收集到储油罐内，此过程同时促进更多的油品被连续吸附与收集，从而实现连续-动态薄油膜回收。经测试，用此方法制得的集成装置对水上薄油膜回收效率可达89.2％。

Claims (10)

1.一种吸油管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，微纳米碳分散液的制备：将质量分数为0.1～2wt.％的微纳米碳与无水乙醇混合，30℃下超声震荡1～2h，得到微纳米碳分散液；
S2，聚合物喷涂液的制备：所述聚合物喷涂液由以下质量分数的组分制备而成：
聚偏氟乙烯 1～6wt.％
硬脂酸 0.5～3wt.％
溶剂 91～98.5wt.％
其中，所述溶剂为聚偏氟乙烯的良溶剂，所述聚合物喷涂液的制备方法为：将所述硬脂酸加入到所述溶剂中，于40～80℃下搅拌2～4h后，再将所述聚偏氟乙烯加入到上述溶液中，继续搅拌2h，得到所述聚合物喷涂液；
S3，微纳米碳复合非织造布吸油材料的制备：将非织造布放入去离子水中清洗，以去除表面杂质，晾干后置于步骤(1)所得的微纳米碳分散液中浸渍1～10min，后置于烘箱中，于30～80℃烘干1～3h后取出；将步骤(2)所得的聚合物喷涂液倒入喷枪中，在0.1～0.5MPa压力下将喷涂液喷涂于烘干后的非织造布的两面，喷涂后将非织造布置于烘箱中，于30～80℃下烘干48～72h，得到微纳米碳复合非织造布吸油材料；
S4，吸油管的制备：将步骤(3)所得微纳米碳复合非织造布吸油材料卷绕于多孔聚合物中空管表面，接口处用胶粘接，制得所述吸油管，其中所述多孔聚合物中空管的外径为1-5cm，长度为10～50cm，孔的直径为0.1～1cm，相邻孔之间的间隔为0.1～1cm。，
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在在于：步骤S1中所述微纳米碳的平均粒径为0.5-10μm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在在于：步骤S3中所述非织造布的材质为聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或其中两种以任意比例混纺所得。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在在于：步骤S2中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯中的任意一种或其中两种以任意比例的混合物。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在在于：所述多孔聚合物中空管为多孔聚氯乙烯中空管、多孔聚氨酯中空管或多孔聚丙烯中空管。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在在于：步骤S4中，所述微纳米碳复合非织造布吸油材料在多孔聚合物中空管表面卷绕1-2层，接口处用环氧树脂胶粘接。
7.一种用于连续回收回收水面薄油膜的集成装置，其特征在于：包括搭载***、储油***、压力***和吸油组件，
所述储油***和压力***设置在搭载***上；
所述储油***包括储油罐、压力表、放气阀与泄油阀，其中压力表安装在储油罐上方，用于监测罐体内部压力；所述放气阀安装在储油罐侧上方，并与压力***相连，用于调节罐体内压力；所述泄油阀安装在储油罐侧下方，用来排出收集到的油品；
所述压力***与储油罐相连，用于提供连续收集油品所需动力；
所述吸油组件漂浮于油水界面，包括连接管路和权利要求1-6中任一项的制备方法制备的多根吸油管，所述多根吸油管并联在连接管路上，连接管路为闭合管路并通过接头与软管的一端连接，软管的另一端与储所述油罐连接。
8.根据权利要求7所述的集成装置，其特征在于，所述搭载***为船或无人艇，所述无人艇长100-500cm，高500-1000cm，宽100-500cm，空载重量20-100kg，遥控距离1-10km，材质为航海铝合金。
9.根据权利要求7所述的集成装置，其特征在于，所述储油罐容量为50-99L，所述软管4的内径为0.6-1cm。
10.根据权利要求7所述的集成装置，其特征在于，所述压力***为隔膜真空泵，所述隔膜真空泵流量为30-120L/min。
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