一种油水分离过滤结构及其制备方法与流程

本发明涉及油水分离技术领域，特别是涉及一种油水分离过滤结构及其制备方法，属于化学化工与功能材料技术领域。

背景技术：

乳化油水的分离一直是油水分离领域的一个重要的研究方向，同时，在工业生产中，乳化含油废水的排放会造成环境污染，特别是水资源的污染。在燃油领域，燃料油纯度的问题也一直是影响飞机、内燃机、船舶等动力装置工作性能的可靠性及其使用寿命的重要因素之一。然而，传统的油水分离技术中，对乳化油水的分离还存在着分离效率不足、分离能耗大、流动阻力过大等诸多问题，也鲜有技术或者材料既可以分离乳化水包油又可以分离乳化油包水，因此急需研发出一种能净化含油废水也能提高油品纯度的高效乳化油水分离新技术。

中国发明专利申请2015109277283公开了一种用于油水分离的规整填料及其制备方法，用于油水分离的规整填料包括保持架、颗粒ⅰ、隔板、颗粒ⅱ、轴、盖板、紧固件；保持架与轴固联；颗粒ⅰ有序排布于保持架的上部区域，颗粒ⅱ有序排布于保持架的下部区域，且颗粒ⅰ所在区域与颗粒ⅱ所在区域被隔板分隔为两个区域；盖板位于颗粒ⅰ构成区域的上表面；隔板和盖板中心开有通孔，轴由通孔处穿出；紧固件位于盖板的上表面中心并将盖板锁紧。该种规整填料通过分层填充具有超亲油超疏水的性能颗粒ⅰ层和具有超亲水超疏油的性能颗粒ⅱ层制备而成。当油水混合物经过超亲水超疏油颗粒i层时，油水混合物中的水被附着、凝结成大水滴，而油则继续往上进入超亲油超疏水颗粒ii层，进而利用油水两相的密度差实现油水两相的分离。由于超亲水超疏油颗粒i层会对油水混合物中的油产生非常大的阻力，必须提供足够外界能量才能让油克服阻力通过超亲水超疏油粒子层，进入超亲油超疏水颗粒ii层来进行油水分离。而且，由于乳化剂的阻隔效应，在无其他作用力下，乳化水珠和油珠很难在粒子上铺展、附着，因此，该装置难以实现对稳定乳化油水的分离。

中国发明专利2016100238023以铜网为材料，以炭黑薄膜为模板，利用化学反应在铜网上构筑微观表面，后经疏水化处理得到可用于油水分离的特殊浸润性表面。在修饰前，该发明的铜网是超亲水、超疏油的，在修饰后，该发明的铜网是超疏水、超亲油的，因此对应不同的实际情况可以达到不同的油水分离目的。该发明利用制备的超亲水、水下超疏油铜网和超疏水亲油铜网实现油水分离，但是其制备方法需高温烘烤，制备比较复杂，而且仅仅通过特殊润湿性表面来分离油水混合物，并没有将不同润湿性表面组合使用，因此过大的铜网网孔孔径会大大影响对微纳米级乳化油水的分离效率。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种油水分离过滤结构，结构简单，使用方便，节约成本，分离效率高。

第二个目的在于提供一种油水分离过滤结构的制备方法，制备方便，制备成本低。

为实现发明目的，采用的技术方案为：

一种油水分离过滤结构，包括过滤装置主体，所述过滤装置主体设有过滤通道，所述的过滤通道设有带孔支撑板，所述过滤通道带孔支撑板上填充有油水分离介质层，所述油水分离介质层为亲水粒子与疏水粒子的混合物；所述油水分离介质层高度在1～10cm；

所述的亲水粒子为二氧化硅、沙子、矿石、凹凸棒土的一种或者多种，所述的亲水粒子粒径为25～250μm；

所述的疏水粒子为用六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷、乙烯基硅氮烷、六甲基二硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三氯硅烷或者十八烷基二甲基氯硅烷中的一种或者多种改性的二氧化硅、沙子、矿石和凹凸棒土的一种或者多种；所述的疏水粒子粒径为25～250μm；

所述亲水粒子与疏水粒子的质量比为1:9-8:1；所述油水分离过滤结构应用在乳化水包油分离，分离后水中含油量低至5ppm；

所述亲水粒子与疏水粒子的的质量比为1:99-9:1；所述油水分离过滤结构应用在乳化油包水的分离，分离后油的纯度达99.99％。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述过滤装置主体为玻璃柱、塑料管、不锈钢管，陶瓷管、铜管或者铝管。

优选地，所述过滤装置主体形状为圆柱形、三棱柱形或方柱形；所述过滤通道的截面形状为圆柱形、三棱柱形或方柱形。

优选地，所述的带孔支撑板为砂芯垫片、带孔不锈钢垫片；所述的带孔支撑板上的孔径为1-250μm。

优选地，所述的水包油为水分别与氯仿、二氯甲烷、正己烷、环己烷、十六烷、石油醚、甲苯、植物油、柴油、煤油、汽油、机油、原油和航空煤油中的一种形成的水包油。

优选地，所述的油包水为氯仿、二氯甲烷、正己烷、环己烷、十六烷、石油醚、甲苯、植物油、柴油、煤油、汽油、机油、原油和航空煤油中的一种与水形成的油包水。

优选地，所述油水分离介质层高度为2～8cm。

一种油水分离过滤结构的制备方法，包括以下步骤：

1)取亲水粒子和疏水粒子混合，加入乙醇后搅拌均匀，得到混合液a；

2)取一具有带孔支撑板过滤通道的过滤装置主体，将步骤1)制备的混合液a倒入过滤通道中，静置，使亲水粒子与疏水粒子沉淀为油水分离介质层；

3)亲水粒子、疏水粒子通过重力作用沉积到过滤通道中的支撑板上，完成分离介质填充。

优选的，步骤1)所述搅拌均匀是在搅拌器中搅拌5-8min。

本发明提供的一种油水分离过滤结构，是从沙漠金龟子的甲壳可以收集空气中雾水的现象中得到启发。该油水分离过滤结构中由亲水粒子和疏水粒子混合组成的分离介质。通过调整亲水粒子和疏水粒子的比例，实现乳化油包水或乳化水包油分离。当调整亲水粒子和疏水粒子的比例为1:99-9:1时，亲水粒子将乳化油包水中纳微米级小水珠聚集成大水珠，而粒子间形成的孔道使油顺利通过分离介质层，并阻止被亲水粒子聚集的大水珠通过，从而实现高效的乳化油包水分离；同样，当调整亲水粒子和疏水粒子的比例为1:9-8:1时，疏水亲油粒子将乳化水包油中纳微米级小油珠聚集成大油珠，而超亲水-水下超疏油粒子形成的孔道使水顺利通过分离介质层，并阻止被疏水亲油粒子聚集的大油珠通过，从而实现高效的乳化水包油分离。

乳化油包水混合物由一种油水分离结构的上口端倒入过滤通道，在经过分离介质层时，亲水粒子和疏水粒子之间的润湿性梯度产生的一个不平衡的力促进乳化油包水中纳微米级小水珠在亲水粒子表面，聚集成大水珠，并且超疏水亲油粒子和亲水粒子都具有超亲油性，所有粒子间形成的孔道使油顺利通过分离介质层，并阻止被亲水粒子聚集的大水珠通过，最终在油水分离结构的下端口获得纯净的油，从而实现高效的乳化油包水分离；

乳化水包油混合物由一种油水分离结构的上口端倒入过滤通道，在经过分离介质层时，亲水粒子和疏水粒子之间的润湿性梯度产生的一个不平衡的力促进乳化水包油中纳微米级小油珠在疏水亲油粒子表面聚集成大油珠，使乳化水包油破乳，并且超亲水粒子形成的孔道使水顺利通过分离介质层，并阻止被亲油粒子聚集的大油珠通过，最终在油水分离结构的下端口获得纯净的水，从而实现高效的乳化水包油分离。

与现有技术相比，具有以下优点和技术效果：

1)本发明在油水分离过滤结构的制备过程中不需要使用强酸性、强碱性试剂，不须高温煅烧，所使用材料易得，成本低廉，易操作，不需要特殊的设备仪器，耐压性能优异，从而可以通过增加压力来获得大的分离通量。

2)本发明所得的油水分离过滤结构，通过混合的疏水粒子和亲水粒子间的润湿梯度差驱动水中乳化油和油中的乳化水聚集合并成大液珠，而且通过亲水粒子和疏水粒子的混合比例来大大降低油或者水通过的阻力，实现无外界耗能下的乳化水包油和乳化油包水分离。本发明可实现氯仿、二氯甲烷、正己烷、环己烷、十六烷、石油醚、苯、植物油、柴油、煤油、汽油、机油、原油和航空煤油与水形成的乳化水包油和乳化油包水的有效分离。

附图说明

图1是本发明实施例1所制备的油水分离过滤结构示意图。

图2是本发明实施例2所制备的油水分离过滤结构示意图。

图3是本发明实施例1制备的乳化水包油分离前后的粒径分布。

图4是本发明实施例2制备的乳化油包水分离前后的粒径分布。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。

实施例1

一种油水分离过滤结构的制备方法，包括如下步骤：

1)将二氧化硅粒子和六甲基二硅氮烷加入到圆底烧瓶中，在80℃下搅拌2小时后，即改性为超疏水二氧化硅粒子；本发明所有实施例中的疏水粒子改性均参照此方法进行制备。

2)取粒径为25～50μm亲水二氧化硅粒子，取用六甲基二硅氮烷改性得到的粒径为25～50μm疏水的二氧化硅粒子，按8:1的质量比将亲水二氧化硅粒子和疏水二氧化硅粒子混合，加入乙醇后搅拌器中搅拌5min。

3)将孔径为25μm的具砂式玻璃柱固定在铁架台上。将步骤1)制备的混合粒子连同乙醇倒入柱中；静置，使亲水二氧化硅粒子与疏水二氧化硅粒子沉淀为油水分离介质层。过滤主体形状和过滤通道的形状在本具体实施方式中，不做具体的限定，在实际的操作中可以设置成任意形状，过滤主体外部形状为圆柱形、或三棱柱形，或方柱形；过滤通道的截面形状为圆柱形、或三棱柱形，或方柱形等等均可。过滤装置主体和过滤通道直径本具体实施方式中不具体限定，根据实际情况中的需要分离的乳化油水的量进行设置即可。

4)亲水二氧化硅粒子、疏水二氧化硅粒子通过重力作用沉积到玻璃柱砂芯上，即完成分离介质填充，分离介质高度为3cm；

图1是本实施例1的结构示意图，二氧化硅粒子填充后，粒子与粒子之间间隙形成分离通道，同时亲水二氧化硅粒子和疏水二氧化硅粒子搅拌后填充，疏水粒子均匀分布在亲水粒子之间，形成了疏水-亲水的分离介质层。

具有疏水-亲水的分离介质层的油水过滤结构分离乳化水包油的测试：

取3g吐温80置于烧杯中，并加入500ml去离子水和10ml异辛烷，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备乳白色的稳定乳化水包油。用去离子水从上往下倒入本实施例的油水过滤结构，将分离介质层润洗三遍后，倒入稳定的水包油乳液，由于超亲水二氧化硅粒子和超疏水粒子表面润湿梯度差驱动水中的溶解油和乳化油珠到疏水二氧化硅粒子上聚集合并成大油珠。同时，占比为8/9的亲水粒子形成的分离通道可以让水顺利通过，而阻止被疏水二氧化硅聚集的大油珠通过分离介质层，实现高效的乳化水包油分离。

中国发明专利申请2015109277283中油水混合物先后依次通过超疏水粒子层和超亲水粒子层，利用油和水的密度差进行分离的方法，在分离乳化油水时，乳化油水中的微纳米级小液滴能够通过粒子间空隙，而且微纳米级小液滴的重量太小，无法通过密度差来实现分离。

本发明利用亲水粒子和疏水间的润湿性梯度差对乳化油水中的微纳米级小液滴产生非平衡力，使其破乳并聚集成大液滴，不仅能够分离普通材料难以分离的纳米级乳化油水，而且是乳化油水提前破乳可以减小乳化油水分离过程中的阻力，增大其分离通量。通过马尔为粒径分析仪测的乳化水包油分离前后乳化水包油中油珠的粒径分布，如图3所示，分离前(a)乳化水包油的粒径分布为100-1000nm，分离后(b)乳化水包油的粒径分布为10-60nm，用红外测油仪测得水中含油量为5ppm。

具有亲水-疏水的分离介质层的油水过滤结构分离乳化油包水的测试：

取3gspan80在烧杯中，并加入500ml的十六烷和10ml的去离子水，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备乳白色稳定的乳化油包水。倒入制备的稳定油包水乳液，由于超亲水粒子和超疏水粒子表面润湿梯度差驱动油中的乳化水珠到亲水二氧化硅上聚集合并成大水珠。同时，因为亲水粒子和疏水粒子对油都是超亲的，分离介质中亲水粒子和疏水粒子的占比不会对有油造成阻力，粒径形成的通道可以让油顺利通过，而阻止被亲水二氧化硅聚集的大水珠通过分离介质层，实现高效的乳化油包水分离。因此通过马尔为粒径分析仪测的乳化油包水分离前后乳化油包水中水珠的粒径分布，如图4所示，分离前(a)乳化油包水的粒径分布为200-2800nm，分离后(b)乳化油包水的粒径分布为30-100nm，通过卡尔费休水分测量仪测的分离前油的纯度为98.0％，分离后油的纯度达到了99.99％。

实施例2

一种油水分离过滤结构的制备方法，包括如下步骤：

1)取粒径为200～250μm亲水沙子和用十八烷基二甲基氯硅烷改性得到的粒径为200～250μm疏水沙子按1:99的质量比混合，加入乙醇后搅拌器中搅拌5min；

2)将孔径为200μm的带孔不锈钢支撑板安装在的陶瓷管通道中并将陶瓷管固定在铁架台上。将步骤1制备的混合粒子连同乙醇倒入管中，静置，使亲水沙子与疏水沙子沉淀为油水分离介质层；

3)亲水沙子、疏水沙子通过重力作用沉积到陶瓷管内支撑板上，即完成分离介质填充，分离介质高度为10cm。

图2是本实施例的结构示意图。沙子填充后，沙子与沙子之间间隙形成分离通道，同时亲水沙子和疏水沙子搅拌后填充，亲水沙子均匀分布在疏水沙子之间，形成了亲水-疏水的分离介质层。

取3g吐温80置于烧杯中，并加入500ml去离子水和10ml柴油，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备稳定乳化水包油。取3gspan80在烧杯中，并加入500ml的柴油和10ml的去离子水，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备稳定乳化油包水；用上述步骤制备油水过滤结构分离配制柴油和去离子水形成的稳定乳化水包油，将配制的稳定乳化水包油倒入过滤结构后，稳定的乳化水包油被截留。因为疏水粒子的占比太大，导致对水的阻力大，不适合分离稳定乳化水包油。上述步骤制备油水过滤结构分离柴油和去离子水形成的乳化油包水，分离后，通过卡尔费休水分测量仪测油纯度为99.99％。说明疏水粒子占比大形成的分离结构可以实现对稳定乳化油包水的分离。

实施例3

一种油水分离过滤结构的制备方法，包括如下步骤：

1)取粒径为30～60μm亲水矿石和用十二烷基三氯硅烷改性得到的粒径为50～100μm疏水矿石按9:1的质量比混合，加入乙醇后搅拌器中搅拌5min；

2)将孔径为60μm的带孔不锈钢支撑板安装在铜管通道内，并固定在铁架台上。将步骤1制备的混合矿石连同乙醇倒入管中；静置，使混合矿石沉淀为油水分离介质层；

3)亲水矿石、疏水矿石通过重力作用沉积到塑料管支撑板上，即完成分离介质填充，分离介质高度为4cm。

取3g吐温80置于烧杯中，并加入500ml去离子水和10ml氯仿，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备乳白色的稳定乳化水包油。取3gspan80在烧杯中，并加入500ml的氯仿和10ml的去离子水，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备乳白色稳定乳化油包水，用上述步骤制备油水过滤结构分离配制氯仿和去离子水形成的稳定乳化水包油，将配制的稳定乳化水包油倒入过滤结构后，收集从过滤结构下端口出来的液体，依旧是乳白色，用红外测油仪测得水中含油量为1009ppm，说明稳定乳化水包油没有被分离提纯。主要原因是稳定的乳化水包油破乳阻力很大，疏水粒子占比太少，与亲水粒子产生润湿性梯度差的破乳效果太弱，因此分离效果差。从而进一步说明实施例1中，亲水粒子和疏水粒子间的润湿性梯度差对乳化水包油中的微纳米级小液滴产生非平衡力，使其破乳并聚集成大液滴这一过程对稳定乳化水包油的分离是至关重要的。分离氯仿和去离子水形成的稳定乳化油包水，分离后，通过卡尔费休水分测量仪测油纯度为99.99％。说明单纯的亲水粒子形成的分离结构可以实现对稳定乳化油包水的分离。

实施例4

一种油水分离过滤结构的制备方法，包括如下步骤：

1)取粒径为100～150μm亲水凹凸棒土和用乙烯基硅氮烷改性得到的粒径为150～200μm疏水凹凸棒土按1:1的质量比混合，加入乙醇后搅拌器中搅拌5min；

2)将孔径为30μm的砂芯安装在塑料管通道中并固定在铁架台上，将步骤1制备的混合凹凸棒土连同乙醇倒入管中；静置，使混合凹凸棒土沉淀为油水分离介质层；

3)亲水凹凸棒土、疏水凹凸棒土通过重力作用沉积到塑料管支撑板上，即完成分离介质填充，分离介质高度为1cm。

取3g吐温80置于烧杯中，并加入500ml去离子水和10ml甲苯，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备乳白色的稳定乳化水包油。取3gspan80在烧杯中，并加入500ml的甲苯和10ml的去离子水，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备乳白色稳定乳化油包水，用上述步骤制备油水过滤结构分离配制甲苯和去离子水形成的稳定乳化水包油，分离后用红外测油仪测得水中含油量为6ppm，分离甲苯和去离子水形成的稳定乳化油包水，分离后，通过卡尔费休水分测量仪测油纯度为99.99％。

实施例5

一种油水分离过滤结构的制备方法，包括如下步骤：

1)取粒径为160～200μm亲水凹凸棒土和用聚二甲基硅氧烷改性得到的粒径为70～100μm疏水二氧化硅按4:1的质量比混合，加入乙醇后搅拌器中搅拌5min；

2)将孔径为70μm的具砂式玻璃柱固定在铁架台上。将步骤1制备的混合粒子连同乙醇倒入管中；静置，使混合粒子沉淀为油水分离介质层；

3)亲水凹凸棒土、疏水二氧化硅通过重力作用沉积到玻璃柱砂芯上，即完成分离介质填充，分离介质高度为6cm。

取3g吐温80置于烧杯中，并加入500ml去离子水和10ml航空煤油，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备稳定乳化水包油。取3gspan80在烧杯中，并加入500ml的航空煤油和10ml的去离子水，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备稳定乳化油包水，用上述步骤制备油水过滤结构分离配制航空煤油和去离子水形成的稳定乳化水包油，分离后用红外测油仪测得水中含油量为5ppm，分离航空煤油和去离子水形成的稳定乳化油包水，分离后，通过卡尔费休水分测量仪测油纯度为99.99％。

实施例6

一种油水分离过滤结构的制备方法，包括如下步骤：

1)取粒径为25～50μm亲水二氧化硅和用聚二甲基硅氧烷改性得到的粒径为60～80μm疏水二氧化硅按1:1的质量比混合，加入乙醇后搅拌器中搅拌5min；

2)将孔径为25μm的带孔不锈钢支撑板安装在不锈钢管通道中，并将不锈钢管固定在铁架台上。将步骤1制备的混合二氧化硅连同乙醇倒入管中；静置，使混合二氧化硅沉淀为油水分离介质层；

3)亲水二氧化硅、疏水二氧化硅通过重力作用沉积到不锈钢支撑板上，即完成分离介质填充，分离介质高度为9cm。

取3g吐温80置于烧杯中，并加入500ml去离子水和10ml煤油，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备乳白色的稳定乳化水包油。取3gspan80在烧杯中，并加入500ml的煤油和10ml的去离子水，加入磁力搅拌转子，连续搅拌24h制备乳白色稳定乳化油包水，用上述步骤制备油水过滤结构分离配制煤油和去离子水形成的稳定乳化水包油，分离后用红外测油仪测得水中含油量为5ppm，分离通量为1200l/(m2*h)；分离煤油和去离子水形成的稳定乳化油包水，分离后，通过卡尔费休水分测量仪测油纯度为99.99％，通量为2300l/(m2*h)。

通过从不锈钢管上口用加压泵加压10kpa后，分离煤油和去离子水形成的乳化水包油，分离后水中含油量为8ppm，分离通量为5400l/(m2*h)，分离煤油和去离子水形成的乳化油包水，分离后油纯度为99.99％，通量为10000l/(m2*h)。由此可知，通过增加压力，可以大大增加分离乳化油水的通量，而且会分离效率和分离后油、水的纯度影响不大。而且因为该分离结构采用不锈钢管和无机微米粒子等耐压材质，耐压性能优异。

实施例1中亲水粒子和疏水粒子的比例为8:1，既可以分离乳化水包油，也可以分离乳化油包水。

实施例2中亲水粒子和疏水粒子的比例为1:99，可以实现高效乳化油包水的分离。因为疏水粒子的占比大，会导致对水的阻力大，不适合分离稳定乳化水包油。

实施例3中亲水粒子和疏水粒子的比例为9:1，因为乳化油包水的破乳阻力较小，而且亲水粒子具有亲油的性质，能够将其高效分离。而乳化水包油的破乳阻力大，疏水粒子占比太少，与亲水粒子产生润湿性梯度差的破乳效果太弱，因此分离效果差。

实施例4中亲水粒子和疏水粒子的比例为1:1，既可以分离乳化水包油，也可以分离乳化油包水。

实施例5中亲水粒子和疏水粒子的比例为4:1，既可以分离乳化水包油，也可以分离乳化油包水。且不同种类、不同粒径的亲水粒子和疏水粒子混用，可以实现对乳化油水的高效分离。因此，当亲水粒子和疏水粒子为比例在1:99到9:1之间都能高效地分离乳化油包水，亲水粒子和疏水粒子的比例在1:9到8:1之间，既可以分离乳化油包水，也可以高效分离乳化水包油。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。