一种油水分离复合式过滤材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种利用表面润湿性能实现液液两相分离，尤其是用于油水分离的复合式过滤材料，通过基底材料的优化配置及表面润湿性改性处理方案的优化，可实现高速、经济可靠的进行油水分离。可用于处理石油化工领域、机械加工、餐厨垃圾治理等行业的油水分离问题，属于机械工程、表面工程、材料科学与环境工程技术领域。

背景技术：

含有脂类及油类的废水称为含油废水，石油石化行业的采油、炼油废水、油品运输及存储过程中发生的泄漏都是含油污水产生的主要途径。未经及时有效处理的含油废水的排放会造成水质恶化、影响农作物生产、危害水产资源甚至大气污染最终影响人类健康。含油废水中低沸点的组分易挥发到大气中，污染空气。人类直接通过呼吸摄入高浓度的石油蒸馏物会造成急性中毒，而浓度较低时长期低浓度有害物质的积累也会产生毒性效应，最终可能造成人类肺部、中枢神经及其它器官的损伤。含油废水侵入到湖泊、河流、地下等水域会造成饮用水资源污染及破坏。此外，浮油能隔绝水体与空气的接触，导致水体溶氧量下降，恶化水质影响水生生物生存环境造成生态破坏。进入水体或土壤中的油类物质可黏附在植物的根茎部位，影响植物对土壤中养分的吸收，严重可造成植物死亡。若用含油污水灌溉农作物可造成减产，有害物质在农作物中富集最终也会影响人类健康。

随着能源需求量日益增加、能源行业的高速发展，全世界范围内石油泄漏事故频繁出现，此外，在原油开采、机械加工、纺织染色、生物制药等工业生产活动中都会产生大量的油水混合液，由此造成污染十分严重。随着国民经济的发展和人们对生活环境要求的日益重视。石化行业、机械加工以及其它行业产生的含油废水亟待处理，根据油类物质与水的物理及化学性质存在的差异，人们提出了各种油水两相分离技术。重力法是基于油类物质与水在密度上存在的差异来实现油水分离的，由于油、气、水的相对密度不同,组分一定的油水混合物在一定的压力和温度下,当系统处于平衡时就会形成一定比例的油、气、水相。重力作用下较重组分液滴会发生沉降。重力式沉降分离设备即根据这一基本原理进行设计。气浮法又称浮选法，主要是根据水和油的密度差或者化学性质不同，在利用重力沉降原理的基础上，依靠水中形成微小气泡,携带絮粒上浮至液面使水净化的一种方法，是国内外正在深入研究并不断推广的一种油水分离方法。气浮法应用的条件是附在油滴上的气泡可形成油气颗粒。由于气泡的出现使水和颗粒之间密度差加大,且颗粒直径比原油油滴大,所以用颗粒密度代替油密度可使上升速度明显提高。其主要优点是操作简单，缺点是投资较大、占地多、操作弹性小、油资源难于回收、分离效率低、容易造成二次污染。旋流法是利用油水密度的不同,使高速旋转的油水混合液产生不同的离心力,从而使油与水分开。由于离心设备可以达到非常高的转速,产生高达几百倍重力加速度的离心力,因此离心设备可以较为彻底地将油水分离开,并且只需很短的停留时间和较小的设备体积。由于离心设备有运动部件,日常维护较难,因此只应用于试验室的分析设备和需要减小占地面积的场所。利用离心分离原理工作的一种主要设备是旋流器,它用于将作为连续相的液体与作为分散相的固粒、液滴或气泡进行物理分离的设备。油与水之间的密度差越大,两相就越容易分离。与重力场中的情况类似,在两相之间的密度差一定的条件下,分散相的颗粒直径越大,在重力场中达到平衡状态时两相之间反向运行的速度差越大,因此就越容易分离。吸附等化学方法需投加大量药剂；而生物滤池又造价太高，只适于少量含油水的处理。对于炼油、焦化、钢铁等行业的含油水，因其处理量大且含油浓度较高等原因，一般都采用重力分离、浮选等油水分离方法。优点是为同行技术人员和操作工人熟悉，缺点是投资较大、占地多、操作弹性小、油资源难于回收、容易造成二次污染。膜法过滤操作简单，是一种物理式的分离方法，不会引起二次污染因此具有很好的使用前景。

针对现有油水分离方法的不足并且考虑到膜法过滤在使用过程中的优点及不足之处，提出基于复合结构形式的特殊润湿性油水分离材料，本文中方法是支撑材料、基底过滤材料、点表面能改性粘附材料以及纳米微颗粒优化设计获得具有高强度、良好表面润湿性及过滤性能的新型油水分离过滤材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有膜法油水分离方法使用材料的不足及局限性，基于复合结构材料及纳米微颗粒表面修饰优化过滤材料表面润湿性，提出一种具有特殊润湿性的油水分离复合式过滤材料及其制备方法。该油水分离复合式过滤材料是基于经低表面能粘附材料以及纳米微颗粒修饰后的特殊润湿性能实现的物理式分离，具有分离效果显著、操作方便、成本低廉、易于工程化、不带来二次污染等特点，有望用于石油开采、运输过程中泄漏以及各行各业所产生的含油污水处理问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种油水分离复合式过滤材料，包括基底过滤材料以及支撑材料，所述基底过滤材料设置于支撑材料上方，所述基底过滤材料的上方具有低表面能粘附材料，所述低表面能粘附材料的表面粘附有纳米微颗粒薄膜。

优选地，所述基底过滤材料为金属滤网、滤布或滤纸,微孔孔径范围为5-300μm。

优选地，所述支撑材料为不锈钢支撑结构，孔径范围为0.5-10mm。

优选地，所述纳米微颗粒薄膜的厚度为1-5个微纳米颗粒，纳米微颗粒的直径为200nm-2μm。

优选地，所述低表面能粘附材料的厚度为10-150μm。

本发明还提供一种油水分离复合式过滤材料的制备方法，包括以下几个步骤：

步骤一：准备支撑材料和基底过滤材料；

选择支撑材料以及基底过滤材料，将基底过滤材料设置于支撑材料的表面，形成复合式结构；

步骤二：将基底过滤材料表面均匀涂设粘附材料；

步骤三：将粘附材料的表面粘附纳米微颗粒薄膜，固化粘附材料后制备完成。

优选地，所述步骤一中通过烧结或机械固定方式将基底过滤材料设置于支撑材料的表面；所述基底过滤材料选择金属滤网、滤布或滤纸，微孔孔径范围为5-300μm；所述支撑材料选择不锈钢支撑结构，孔径范围为0.5-10mm。

优选地，所述步骤二中通过利用喷涂或浸渍方式使基底过滤材料表面均匀涂设粘附材料；所述粘附材料为油漆。

优选地，所述步骤三中纳米微颗粒薄膜的厚度为1-5个微纳米颗粒，纳米微颗粒的直径为200nm-2μm。

优选地，所述步骤三中将粘附材料的表面粘附纳米微颗粒薄膜是通过将步骤一中得到的复合式结构设置于密闭空间内，并将纳米微颗粒分散并悬浮于密闭空间内，通过自然沉淀以及吸附使基底过滤材料的表面形成纳米微颗粒薄膜。

本发明具有的优点在于：

1、本发明提供的油水分离复合式过滤材料采用多种材料有机结合：由支撑材料、基底过滤材料、低表面能粘附材料以及纳米颗粒修饰材料组成，该复合式过滤材料充分发挥各组成部分功能，具有高强度、高过滤性能等优点。

2、本发明中将低表面能粘附材料均匀的涂敷在基底过滤材料表面具有表面改性以及粘附作用双重功效，不仅可对基底过滤材料进行保护提高抗腐蚀性能和改善润湿的作用，而且通过优化涂料成分及其配比可对涂敷厚度进行控制，进而实现对基底过滤材料孔径大小的调节。

3、本发明中纳米微颗粒通过分散、自然沉降的形式粘附在基底过滤材料表面，实现对低表面能涂层(粘附材料)表面微结构的表面改性，并且通过使用不同粒径、不同结构形状的微颗粒以及不同沉积密度可实现对基底过滤材料表面润湿性能的控制，可实现高效快捷的对油水混合物中的油类物质进行选择性通过实现油水分离。

4、本发明提供的具有特殊润湿性的油水分离复合式过滤材料及其制备方法，具有操作简单、成本低廉、环境友好等显著特点，有着良好的工程应用前景。

附图说明

图1为支撑材料与基底过滤材料组成的复合滤网的结构示意图；

图2为粘附材料在表面形成涂层示意图；

图3为纳米微颗粒沉积过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种油水分离复合式过滤材料，如图1-图3，包括基底过滤材料2以及支撑材料1，本发明根据所需处理油水混合物的实际工况可对支撑材料及微孔结构的基底过滤材料进行优化选择，进而优化分离效率。所述基底过滤材料2为金属滤网、滤布或滤纸等多孔过滤材料,微孔孔径范围为5-300μm，该孔径范围的基底过滤材料一般厚度在0.1-0.5mm左右。所述支撑材料1为孔径范围为0.5-10mm的不锈钢支撑结构或为其它不限制孔径范围的支撑骨架结构，一般厚度为0.2-0.5mm左右。所述基底过滤材料2附着于支撑材料1的上方，以支撑材料为支撑骨架，由于支撑材料1具有一定的强度，因此，支撑材料1可以围设为圆筒形状，而基底过滤材料2可以附着于圆筒形状的支撑材料1的外表面，并于圆筒材料的上下开口方向进行固定；也可以如图1所示将高强度支撑材料1与基底过滤材料2经烧结等方式作为结合手段，形成复合过滤材料。所述基底过滤材料2的表面具有低表面能粘附材料3，其具有粘合以及表面改性双重作用，调整低表面能粘附材料3的粘度以及固化时间的组份比重，可对粘附材料3在基底过滤材料2表面成膜的厚度等参数进行控制，低表面能粘附材料3的粘度通过添加稀料来控制，稀料一般重量百分数在20-30％；固化时间为添加固化剂搅拌均匀后的静置时间(交联固化)，固化时间为5-15分钟，固化剂一般使用量(质量百分数)在5％到15％；低表面能粘附材料3成膜时的刷涂厚度一般为10-150μm。一般低表面能粘附材料3为油漆。如图2所示低表面能粘附材料3形成涂层的厚度控制可对过滤材料结构进行优化；经低表面能粘附剂处理后的材料具有一定的疏水亲油特性并且具有粘结剂功能，所述低表面能粘附材料3的表面粘附有纳米微颗粒层4，纳米微颗粒层4的厚度为1-5倍纳米微颗粒5直径，一般地，纳米微颗粒5的直径为200nm-2μm，可以为疏水性二氧化硅等纳米微颗粒。在粘附纳米微颗粒5时，将粒径为200nm-2μm纳米微颗粒5在密闭空间内分散，通过自然沉降的方式使其在涂有粘附材料3的基底过滤材料表面完成吸附如图3所示，纳米微颗粒5沉积可对基底过滤材料2的表面微结构进行修饰，从而进一步优化基底过滤材料2的表面润湿性能。

本发明中的油水分离复合式过滤材料的制备方法包括以下几个步骤：

步骤一：准备支撑材料和基底过滤材料

选用具有良好刚性强度的孔径为0.5-10mm的金属或其他材质滤网作为支撑材料，厚度在0.5-10mm,选用孔径5-300μm的金属或其他材质的过滤网作为基底过滤材料，厚度在0.1-0.5mm，通过烧结等或机械固定等方式，将基底过滤材料设置于支撑材料的表面，形成复合式结构。

步骤二：利用喷涂或浸渍等方式使基底过滤材料表面均匀涂有粘附材料，厚度10-150μm，浸渍时优选为10-50μm，喷涂时优选为50-150μm。当粘附材料中加入有固化剂时，固化剂加入并搅拌均匀后，静止一端时间以增加粘附材料的粘性，然后再采用喷涂或浸渍等方式使基底过滤材料表面均匀涂有粘附材料。

步骤三：将粘附材料的表面粘附纳米微颗粒薄膜，固化粘附材料后制备完成。

在密闭空间内利用吹气搅拌的方式(压缩空气压力为0.4-0.8mpa，喷嘴口径为2mm)，使得粒径为200nm-2μm的疏水性二氧化硅等纳米微颗粒分散并悬浮于密闭空间内，通过自然沉淀以及吸附使基底过滤材料表面形成纳米颗粒薄膜，从而获得具有特殊润湿作用的油水分离复合式过滤材料，于密闭空间中完成粘附材料的表干过程，表干时间一般为10min-60min。然后将粘附完纳米微颗粒薄膜取出密闭空间，将粘附材料层彻底固化，采用不同的粘附材料，固化时间有所区别，一般要12-24h完成彻底固化。

按照上述方法制备的复合式油水分离过滤材料，由于高强度的支撑材料因此具有良好的机械强度，低表面能粘附材料可在基底过滤材料表面形成完整的覆盖，在实现表面改性的同时也对基底过滤材料进行保护进而提高材料使用寿命。该过滤方式不是通过使基底过滤材料的孔径小于油水混合物中乳化液滴直径来实现物理式拦截，而是通过低表面能材料以及纳米微颗粒的表面改性实现对油类物质选择性吸附来实现乳化油滴的去除，因此基底过滤材料的微孔孔径可高于其它过滤材料，从而保证其过滤速度性能条件下，能够实现对油水混合物中微量杂质的去除。此外该方法实现的疏水纳米微颗粒表面修饰可将纳米微颗粒裸露在外，充分发挥纳米微颗粒表面物理化学性能的优点，提高其特殊表面润湿性，不同于分散于相应树脂内的方法中纳米微颗粒被树脂等材料包裹，不能起到理想的表面改性效果。

下面结合实例对所提出的复合式油水分离过滤薄膜技术做进一步的详细说明。

实施例1

选用厚度为1mm、孔径为2mm的高强度精钢网为支撑材料，选用孔径为10μm、厚度为100μm的金属毡为基底过滤材料，选用粒径为500nm的疏水性二氧化硅微球为表面形貌修饰颗粒(纳米微颗粒)。通过烧结的方式将两种支撑材料和基底过滤材料形成复合滤网。将复合滤网浸渍在氟碳树脂中20min后取出，取出后马上(在1min时间内)悬挂在二氧化硅微球悬浮空间内，待氟碳树脂表干固化后取出并吹去表面多余颗粒，取出密闭空间后彻底固化，形成具有特殊润湿性的油水分离复合式过滤材料。将所制备的油水分离复合式过滤材料用于油水混合物(柴油与水按1:10的比例混合搅拌后形成油水混合物)分离，可实现高于99％以上的分离效果。

实施例2

选用厚度为0.5mm、孔径为1mm，的金属滤网作为支撑材料；选用孔径为10μm、厚度为100μm的金属微孔过滤材料为基底过滤材料，经压制烧结形成复合结构网。将复合滤网浸渍在有机硅树脂中20min后，取出后悬挂在粒径为500nm的二氧化硅微球的悬浮空间内，10min后取出在室温下固化，形成具有特殊润湿性的油水分离复合式过滤材料。将所制备的上述油水分离复合式过滤材料用于油水混合物(柴油于水按1:10的比例混合搅拌后形成油水混合物)分离，可实现高于99％以上的分离效果。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。