1.本发明涉及油水分离功能材料领域，具体而言，涉及一种油水分离用铁基薄膜材料、其制备方法及应用。
背景技术：
2.含油废水是工业生产和日常生活中常见的污染源，严重危害水环境和生态平衡。膜分离技术是处理含油废水最有效的方法之一，常用的分离膜分为疏水性膜和亲水水性膜。疏水性膜在油水分离过程中，油污易于表面吸附、聚集，造成膜通量衰减与分离效率下降。亲水性膜可有效改善抗污染能力，但在长期运行环境下仍不可避免地存在膜污染与清洗问题。因此，寻找性能优异、表面不易污染并易清洗的油水分离膜是极为必要的。
技术实现要素：
3.本发明旨在提供一种油水分离用铁基薄膜材料、其制备方法及应用，以提供一种表面不易污染并易清洗的油水分离膜。
4.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种油水分离用铁基薄膜材料的制备方法。该制备方法包括以下步骤：将铁基多孔泡沫清洗后真空干燥；将带双键的硅烷偶联剂溶于乙醇水混合溶液中水解得到第一混合溶液，将铁基多孔泡沫浸泡到第一混合溶液中一定时间后取出烘干，得到硅烷偶联剂处理后的铁基多孔泡沫；将温敏性单体、引发剂溶于有机溶剂中并搅拌均匀得到第二混合溶液；将硅烷偶联剂处理后的铁基多孔泡沫浸渍于第二混合溶液中，通过自由基聚合反应得到油水分离用铁基薄膜材料。
5.进一步地，清洗包括将铁基多孔泡沫依次浸于丙酮、乙醇、稀盐酸和去离子水中进行超声清洗。
6.进一步地，乙醇水混合溶液中乙醇与水的体积比为7～10:1；优选为9:1。
7.进一步地，带双键的硅烷偶联剂为选自由乙烯基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷或乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷组成的组中的一种或多种。
8.进一步地，硅烷偶联剂在第一混合溶液中的体积分数为0.1％～5.0％。
9.进一步地，将带双键的硅烷偶联剂溶于乙醇水混合溶液中水解1～6小时。
10.进一步地，铁基多孔泡沫在第一混合溶液中浸泡的时间为1～30分钟。
11.进一步地，温敏性单体为选自由n-异丙基丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺或n-乙基丙烯酰胺组成的组中的一种或多种；引发剂为选自由偶氮二异庚腈、偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰组成的组中的一种或多种，溶剂为选自由甲苯、二甲苯或氮氮二甲基乙二胺组成的组中的一种或多种。
12.进一步地，引发剂的质量分数为温敏性单体的0.1～5.0％；自由基聚合反应的反应温度为60～80℃，反应时间为4～10h。
13.根据本发明的另一方面，提供了一种油水分离用铁基薄膜材料。该油水分离用铁基薄膜材料通过上述任一种油水分离用铁基薄膜材料的制备方法制备得到。
14.根据本发明的再一方面，提供了一种上述油水分离用铁基薄膜材料在含油废水处理中的应用。
15.本发明提供的油水分离铁基薄膜具有温度敏感性、磁响应性、环境友好、制备简单、成本低和分离速度快等特点。
具体实施方式
16.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
17.针对背景技术中提到的技术问题，本发明提供一种兼具温敏性和磁性的油水分离用铁基薄膜材料。
18.根据本发明一种典型的实施方式，提供一种油水分离用铁基薄膜材料的制备方法。该制备方法包括以下步骤：将铁基多孔泡沫清洗后真空干燥；将带双键的硅烷偶联剂溶于乙醇水混合溶液中水解得到第一混合溶液，将铁基多孔泡沫浸泡到第一混合溶液中一定时间后取出烘干，得到硅烷偶联剂处理后的铁基多孔泡沫；将温敏性单体、引发剂溶于有机溶剂中并搅拌均匀得到第二混合溶液；将硅烷偶联剂处理后的铁基多孔泡沫浸渍于第二混合溶液中，通过自由基聚合反应得到油水分离用铁基薄膜材料。
19.温敏性单体聚合后得到聚合物具有温敏性，在低临界溶解温度(lcst)附近会发生亲水/疏水性变化。温敏性聚合物在lcst以下呈现亲水性，可减轻有机污染物的吸附；温敏性聚合物分子链在体积相转变过程中的伸展/卷曲可提供“洗涤机械力”，促进污染物的脱除。基于此，温敏性聚合物可以被用于修饰到铁基泡沫表面设计、制备易清洗、抗污染的油水分离膜。本发明提供的油水分离铁基薄膜具有温度敏感性、磁响应性、环境友好、制备简单、成本低和分离速度快等特点。
20.根据本发明一种典型的实施方式，清洗包括将铁基多孔泡沫依次浸于丙酮、乙醇、稀盐酸和去离子水中进行超声清洗，洗除表面的铁锈、杂质等物质。
21.优选的，乙醇水混合溶液中乙醇与水的体积比为7～10:1；优选为9:1。
22.根据本发明一种典型的实施方式，带双键的硅烷偶联剂为选自由乙烯基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷或乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷组成的组中的一种或多种。硅烷偶联剂能修饰到铁基泡沫表面，双键能够与单体聚合，通过聚合反应将聚合物修饰到表面。优选的，硅烷偶联剂在第一混合溶液中的体积分数为0.1％～5.0％。
23.在本发明一种典型的实施方式中，将带双键的硅烷偶联剂溶于乙醇水混合溶液中水解1～6小时。水解后硅烷偶联剂末端转变为羟基与铁基材料有很强作用力，促使其结合到铁基材料表面。
24.优选的，铁基多孔泡沫在第一混合溶液中浸泡的时间为1～30分钟，以便反应充分进行。
25.在本发明一种典型的实施方式中，温敏性单体为选自由n-异丙基丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺或n-乙基丙烯酰胺组成的组中的一种或多种；引发剂为选自由偶氮二异庚腈、偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰组成的组中的一种或多种，溶剂为选自由甲苯、二甲苯或氮氮二甲基乙二胺组成的组中的一种或多种。
26.聚(n-异丙基丙烯酰胺)(pnipam)及其衍生物具有温敏性，在低临界溶解温度
(lcst)附近会发生亲水/疏水性变化。pnipam及其衍生物表面在lcst以下呈现亲水性，可减轻有机污染物的吸附；pnipam及其衍生物分子链在体积相转变过程中的伸展/卷曲可提供“洗涤机械力”，促进污染物的脱除。基于此，pnipam及其衍生物可以被用于设计、制备易清洗、抗污染的油水分离膜。
27.优选的，引发剂的质量分数为温敏性单体的0.1～5.0％；自由基聚合反应的反应温度为60～80℃，反应时间为4～10h。
28.在本发明一种典型的实施方式中，提供一种油水分离用铁基薄膜材料。该油水分离用铁基薄膜材料通过上述任一种油水分离用铁基薄膜材料的制备方法制备得到。
29.在本发明一种典型的实施方式中，提供一种上述油水分离用铁基薄膜材料在含油废水处理中的应用。例如，在油田采出液、原油泄漏、码头污水等体系的油水分离处理中的应用。
30.下面将结合实施例进一步说明本发明的有益效果。
31.实施例1
32.制备具有温敏性-磁响应性的油水分离铁基薄膜
33.(1)将铁基多孔泡沫依次进入丙酮、乙醇、稀盐酸和去离子水中各超声10分钟，通过真空干燥箱干燥；
34.(2)将0.3％的乙烯基三甲氧基硅烷溶于乙醇水混合溶液中搅拌水解5h，再将(1)中清洁后的铁基多孔泡沫浸泡到水解后的硅烷偶联剂混合溶液中7分钟，通过烘箱干燥；
35.(3)将3g n-异丙基丙烯酰胺、0.01g引发剂溶于20毫升的二甲苯中，再将步骤(2)硅烷偶联剂修饰后的铁基多孔泡沫浸泡于上述混合溶液中，70℃反应6小时后取出烘干。
36.实施例2
37.制备具有温敏性-磁响应性的油水分离铁基薄膜
38.(1)将铁基多孔泡沫依次进入丙酮、乙醇、稀盐酸和去离子水中各超声10分钟，通过真空干燥箱干燥；
39.(2)将0.1％的乙烯基三甲氧基硅烷溶于乙醇水混合溶液中搅拌水解3h，再将(1)中清洁后的铁基多孔泡沫浸泡到水解后的硅烷偶联剂混合溶液中7分钟，通过烘箱干燥；
40.(3)将2g n-异丙基丙烯酰胺、0.04g引发剂溶于20毫升的二甲苯中；
41.(4)将步骤(2)硅烷偶联剂修饰后的铁基多孔泡沫浸泡于上述混合溶液中，70℃反应6小时后取出烘干。
42.实施例3
43.制备具有温敏性-磁响应性的油水分离铁基薄膜
44.(1)将铁基多孔泡沫依次进入丙酮、乙醇、稀盐酸和去离子水中各超声10分钟，通过真空干燥箱干燥；
45.(2)将0.5％的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇水混合溶液中搅拌水解5h，再将(1)中清洁后的铁基多孔泡沫浸泡到水解后的硅烷偶联剂混合溶液中7分钟，通过烘箱干燥；
46.(3)将2g n-异丙基丙烯酰胺、0.06g引发剂溶于20毫升的二甲苯中；
47.(4)将步骤(2)硅烷偶联剂修饰后的铁基多孔泡沫浸泡于上述混合溶液中，75℃反应6小时后取出烘干。
48.实施例4
49.制备具有温敏性-磁响应性的油水分离铁基薄膜
50.(1)将铁基多孔泡沫依次进入丙酮、乙醇、稀盐酸和去离子水中各超声10分钟，通过真空干燥箱干燥；
51.(2)将0.5％的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇水混合溶液中搅拌水解4h，再将(1)中清洁后的铁基多孔泡沫浸泡到水解后的硅烷偶联剂混合溶液中3分钟，通过烘箱干燥；
52.(3)将2g n-异丙基丙烯酰胺、0.06g引发剂溶于20毫升的二甲苯中；
53.将步骤(2)硅烷偶联剂修饰后的铁基多孔泡沫浸泡于上述混合溶液中，70℃反应6小时后取出烘干。
54.实施例5
55.制备具有温敏性-磁响应性的油水分离铁基薄膜
56.(4)将铁基多孔泡沫依次进入丙酮、乙醇、稀盐酸和去离子水中各超声10分钟，通过真空干燥箱干燥；
57.(5)将5％的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇水混合溶液中搅拌水解4h，再将(1)中清洁后的铁基多孔泡沫浸泡到水解后的硅烷偶联剂混合溶液中3分钟，通过烘箱干燥；
58.(6)将2g n-异丙基丙烯酰胺、0.06g引发剂溶于20毫升的二甲苯中；
59.将步骤(2)硅烷偶联剂修饰后的铁基多孔泡沫浸泡于上述混合溶液中，70℃反应6小时后取出烘干。
60.对实施例1-5中的油水分离用铁基薄膜材料产品进行性能检测(检测方法采用本领域的常规检测方法)，实施例1-5的油水分离用铁基薄膜材料产品结果类似，均至少达到了如下技术效果：
61.接触角测试：在温度为10℃时，表面呈现出亲水性，空气中水接触角为0
°
，水下油接触角为139.3
°
，具有超亲水-水下疏油的特性。在温度为35℃时，表面呈现出疏水性，在空气中水接触角测试结果为135.2
°
，并且油下水接触角达152.1
°
。
62.油水分离效率测试：对多种油水混合物都能够实现高效分离，其分离效率均在93％以上。
63.油水通量测试：对水的通量高达15.5
×
104l m-2
h-1
，对油的通量最高可达18.1
×
104l m-2
h-1
。
64.检测方法：
65.接触角测试：运用悬滴法测量体积为5μl的水或多种有机溶剂在所制备样品上的接触角，对水滴或每种溶剂液体测试5次取平均值，得到相应接触角。
66.油水分离效率测试：在室温条件下，称量初始油组分质量，之后加入装有适量蒸馏水的烧杯中，使其与水组成油水混合物。将油水混合物倒入分离管中，在重力作用下实现油和水混合物的分离。其分离效率为分离前后油的质量比值。
67.油水通量测试：测试各种有机溶剂和水的通量是在自身重力作用下进行。将要测试的油类或水倒入上述的油水分离装置中，测定单位时间内经过单位面积的有机溶剂或水的体积。
68.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
69.1)本发明所制备的油水分离铁基薄膜具有温度响应性，在低温下亲水，在高温下疏水；
70.2)本发明所制备的油水分离铁基薄膜具有磁响应性，具有远程控制油水混合物快速分离；
71.3)本发明所制备的油水分离铁基薄膜分离油水混合物时，水和油通量大，易操作，易清洁，膜污染小。
72.4)本发明所制备的油水分离铁基薄膜能分离轻质油水混合物和重质油水混合物。
73.以上所述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。