一种耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物的制备方法与流程

本发明属于油水分离技术领域，具体涉及一种耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物的制备方法。

背景技术：

随着每年石油泄漏事故的不断发生以及工业含油废液的剧增，已经严重影响到我们的生产和生活。传统的油水分离具有很多局限性，比如分离速率慢、分离效果差，选择性差和重复使用性差等问题，因此开发和设计高效快捷油水分离新技术就显得尤为重要。

多孔材料成为解决油水分离的一种潜在可能，比如多孔金属网格，多孔海绵，薄膜和多孔织物等。如果将这些多孔材料使用到油水分离中需要赋予其超疏水和超亲油性，然而，这些多孔材料本质上不是超疏水性或超亲油的。为使其具有超疏水性和超亲油性，采用不同的改性方法和处理过程使多孔材料具有超疏水和超亲油性。传统改性方法包括在材料表面构造微/纳米结构或将低表面能材料采用化学修饰或物理吸附在材料表面。但是这些方法都需要对材料表面进行多次复杂的处理，过程过于繁琐，设备昂贵且不能规模化制备，除此之外，大多数构筑出的超疏水油水分离材料的耐久性都很差，特别是当它们在极端环境下，如高温、低温、外力摩擦或腐蚀性环境都可能导致表面超疏水性永久性丧失，这些缺陷与不足严重阻碍超疏水油水分离材料的实际应用。并且超疏水油水分离材料也都存在下面共同的技术问题：（1）如何在保证高分离效率的情况下提高分离速率；（2）如何在保证分离速率和分离效率的基础上提高材料的重复使用寿命。针对这些问题与不足，本专利提供了一种结构稳定、高效、快速的油水分离材料及其制备方法，有望在油水分离领域迅速得到大规模应用。

技术实现要素：

本发明针对现有超疏水油水分离膜的耐久性差、分离速率和分离效率难以同时优化、成本高和工艺复杂的问题，提供一种耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物的制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物的制备方法，包括如下步骤：

第一步，棉织物的预处理：

配制10^-6~10^-4mol/l的naoh溶液，将棉织物浸泡在naoh溶液中3~6h，然后用去离子水洗涤至中性，放置在60℃烘箱中进行干燥，得到预处理的棉织物，其中，naoh溶液与棉织物质量比15:1~25:1；

第二步，棉织物的化学接枝处理：

将预处理的棉织物浸泡在有机溶剂中，并向其中加入低表面能的有机硅烷小分子，在100~150℃条件下回流反应15~48h后，用乙醇和蒸馏水分别洗涤3~5次，放置在60℃烘箱中进行干燥，得到改性的超疏水油水分离棉织物，其中，有机溶剂、有机硅烷小分子和棉织物的质量比为20:6:1~20:2:1。

进一步地，第一步中所述棉织物的面密度为150~500g/m²。

进一步地，第二步中所述有机溶剂包括甲苯、二甲苯、二丙二醇甲醚醋酸酯(dpma)、丙二醇甲醚醋酸酯（pma)、乙二醇甲醚乙酸酯和丙二醇单甲醚乙醋酸酯中的任意一种。

进一步地，第二步中所述低表面能的有机硅烷小分子包括正辛基三乙氧基硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、3-氯丙基三乙氧基硅烷和异丁基三乙氧基硅烷中的任意一种。

本发明中，改性超疏水油水分离棉织物，关键在于结构稳定性好，同时兼具优异的油水分离速率和分离效率。

本申请的超疏水油水分离棉织物是单一的在棉织物表面接枝低表面能的有机小分子，表面接枝低表面能有机小分子比较均匀且不会影响棉织物表面的孔隙率，低表面能有机小分子化学性质稳定即使在酸碱盐等苛刻环境中其性能也不会受到影响。

本申请的超疏水油水分离棉织物的制备方法是一种化学改性，相较于物理吸附结构和性能更加稳定。棉织物本身的结构构成了表面的粗糙度，接枝在表面的有机小分子降低了棉织物表面的表面能。它们共同构筑了的表面同时具有粗糙度和低表面能。

相对传统油水分离材料从材料选择和制备过程，在以下几个方面做了一些相应创新和提高：首先，在材料选择上，选取孔隙率高的织物，面密度为150g/m²~500g/m²，来提高分离速率；其次，选择棉织物，主要是棉织物表面含有丰富的绒状纤维，这些表面绒状纤维能改善高孔隙带来分离效率低的缺陷，且棉纤维表面含有大量的化学性质相对活泼的官能团，容易进行化学接枝。由于棉织物质地柔软，能极大地扩大其应用范围；此外，控制合成工艺和选择合适的低表面能有机分子，采用化学接支法，将有机分子修饰在棉织物表面，从而获得低表面能且稳定的棉织物。

本发明的有益效果如下：

1.本发明设计的是一种高效高渗透的超疏水油水分离棉织物，拥有更优异的超疏水特性，接触角大于160°，滚动角小于10°。

2.本发明设计和制备高效高渗透的超疏水油水分离棉织物，具有优异的机械稳定性和耐洗性，在循环摩擦300周期后接触角保持在158°以上，分离效率保持在99.1%。水洗50次后，棉织物接触角仍保持在155°以上，分离效率达到98.6%以上。

3.本发明设计和制备的高效高渗透的超疏水油水分离棉织物，具有优异的耐热和耐寒性能，在分离0±1℃和99±1℃的油水混合物时，分离效率分别为97.4%和98.5%，分离速率分别为：13980l/h·m²和11820l/h·m²。

4.本发明设计和制备的高效高渗透的超疏水油水分离棉织物，具有更加优异的耐酸、碱、盐性能，当油与ph=1、ph=14、和3.5wt%nacl的溶液混合，分离效率分别在98.6%，99.5%和99.2%，分离速率分别为：11840l/h·m²，12540l/h·m²和12180l/h·m²。

5.本发明设计和制备的耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物，对多种油水混合物都具有非常优异的分离效率和分离速率。

6.本发明设计和制备的高效快速的超疏水油水分离棉织物，在持续不间断油水分离上具有非常优异的分离能力，有效分离面积为7.06×10^-4m²，连续不间断分离5000ml油水混合物其分离效率依然很高。

附图说明

图1为本发明耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物的结构示意图，其中：1-有机硅烷小分子；2-棉纤维；

图2为本发明实施例1制备的耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物的ft-ir图，a为棉织物的ft-ir图，b为改性棉织物的ft-ir图；

图3为本发明实施例2制备的耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物的sem图，a为改性棉织物sem图，b为局部放大图；

图4为本发明实施例1制备的耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物的实物图；

图5为本发明实施例1制备的耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物对不同油水混合物的分离效率(a)和分离速率(b)；

图6为本发明实施例2制备的耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物，耐摩擦接触角(a)和油水分离效率(b)变化图；

图7为本发明实施例3制备的高耐久高效快速的超疏水油水分离棉织物，不同温度下油水分离效率（a）和油水分离速率（b）变化图。

具体实施方式

实施例1

一种耐久高效快速超疏水油水分离棉织物的制备方法，包括如下步骤：

第一步，棉织物的预处理

配制10^-4mol/l的naoh溶液，将棉织物浸泡在naoh溶液中4h，其中棉织物与naoh溶液质量比为1:25。然后用去离子水洗涤若干次，放置在60℃烘箱中进行干燥，得到预处理的棉织物；

第二步，改性超疏水油水分离棉织物的制备

将处理过的棉织物浸泡在甲苯溶液中，向其中加入正辛基三乙氧基硅烷，其中棉织物：甲苯：正辛基三乙氧基硅烷的质量比为1:20:4，在120℃条件下回流反应20h，用乙醇和蒸馏水分别洗涤3-5次，放置在60℃烘箱中进行干燥，得到改性超疏水油水分离棉织物；

图2是通过本实施例制备的高效高渗透的超疏水油水分离棉织物的ft-ir图，改性棉织物ft-ir表征中出现改性剂的特征官能团，说明改性成功的接枝在棉织物表面。从图4中可以看出水滴在改性棉织物表面多个位置都显示出优异的、稳定的接触角，并且能够完全移除，表面不会残留，证明以此工艺制备的改性棉织物性能优异、结构稳定。从图5可知，超疏水棉织物对多种油水混合物都具有优异的分离效率和分离速率。

实施例2

将实施例1第一步中浓度为10^-4mol/l的naoh溶液改为浓度为10^-6mol/l的naoh溶液。第二步中棉织物:甲苯:正辛基三乙氧基硅烷的质量比为1:20:4改为棉织物:丙二醇甲醚醋酸酯:正辛基三乙氧基硅烷的质量比为1:20:4，其余步骤同实施例1。

图3是通过本实施例制备的高效高渗透的超疏水油水分离棉织物，经过改性之后纤维表面没有发生明显的变化，非常平整光洁。从图6可知，超疏水改性棉纤维具有非常优异的机械稳定性，经过300次循环摩擦接触角依然在158°以上，分离效率在99.1%。

实施例3

将实施例1第二步中棉织物：甲苯：正辛基三乙氧基硅烷的质量比为1:20:4改为棉织物：二丙二醇甲醚醋酸酯：异丁基三乙氧基硅烷的质量比为1:20:4。

其余步骤同实施例1。

图7是通过本实施例制备的高效高渗透的超疏水油水分离棉织物，在100℃下油水分离效率98.5%和油水分离速率13980l/h·m²，在0℃下油水分离效率97.4%和油水分离速率11820l/h·m²，可以看出在高温和低温下通过本实施例制备的超疏水油水分离棉织物都有非常优异油水分离性能。