納米技術在油水分離領域的應用

李德宇 程向新 李美蓉（山東交通學院，山東 威海 264200）

納米技術在油水分離領域的應用

李德宇 程向新 李美蓉（山東交通學院，山東 威海 264200）

水作為生命之源，一直都受到人們的高度重視。然而，現階段水資源面臨著很多威脅，而石油對水資源的污染尤其嚴重。為了解決這一問題，本實驗小組利用超疏水材料的親油特性，為油水分離提供了一條新的思路。以商用聚氨酯海綿作為主材料，用不同的納米材料對聚氨酯海綿的三維網狀結構進行沉積，同時用疏水的偶聯劑加以修飾，達到超疏水親油的目的，并對其實用性進行探究。

水污染；納米材料；疏水親油

超疏水材料表面通常會表現出親油性，其原因主要有以下兩點：一是由于超疏水材料自身低表面能與油性液體表面能相近；二是因為超疏水材料表面結構較粗糙也可以提高其親油性。

現階段，基于納米技術制備的超疏水親油復合顆粒，雖然具有十分廣闊的應用前景，然而卻面臨著產率較低、成本較高等問題，使其應用范圍和普及程度收到了極大地限制。因此，我們選用較為廉價的商用聚氨酯海綿作為主材料，通過納米技術對其進行改良，使其具有超疏水親油的性質，進一步降低超疏水親油材料的成本，為其投入市場打下良好的基礎。

據報道，各國眾多學者都利用納米技術對不同的金屬網篩進行改性，使其具有超疏水親油的特性，其中Wu等人以鋼制網篩為基板，乙酸鋅為前驅體，通過一系列手段制備出具有超疏水親油性質的網篩能夠有效地分離油水混合液。對比聚氨酯海綿，金屬網篩用于油水分離有很多局限性。首先，金屬重量較重，面對大面積水面浮油污染，處理起來鞭長莫及，投放與回收都較為困難；價格低廉表面多孔的海綿，具有毛細效應，因此對于油水分離是一種理想的主材料。也是超疏水親油材料一個新的研究熱點。并且，已有學者嘗試將疏水性質的溶液噴涂于海綿表面，進行干燥制備出超疏水親油性新型海綿。此方法簡單有效，但是由于涂層僅附著于海綿表面，容易脫落，從而導致耐用性較差效果。所以，我們決定通過在海綿的網絡結構中沉積納米材料并用疏水的烷烴對其進行修飾降來降低材料表面能，以期望達到較好的效果。

1 材料和方法

1.1 實驗原料

氨水、正硅酸乙酯、無水乙醇、戊烷、正己烷、庚烷、苯、甲苯、油紅染色劑、辛基三氯硅烷、硅油、純水、聚氨酯海綿（以上藥品試劑均為市售化學純）

1.2 主要儀器設備

超聲波清洗儀、磁力攪拌器、電子天平、低速離心機、電熱鼓風干燥箱

1.3 實驗方法

1.3.1碳納米管/二氧化硅的制備

首先將0.1 g羥基化了的碳納米管與100m L無水乙醇混合，用超聲清洗儀使其均勻分散。然后滴加0.5m L的正硅酸乙酯和0.5m L的濃氨水于上述分散液中，并輔以磁力攪拌，持續8小時。將得到的反應液用無水乙醇以及去離子水洗滌然后離心重復3次，將沉淀物置于65℃的干燥箱中干燥10小時，得到碳納米管/二氧化硅的復合物。

1.3.2碳納米管/二氧化硅修飾聚氨酯海綿

將制得的碳納米管/二氧化硅復合物用超聲波清洗儀分散于無水乙醇中，將聚氨酯海綿用乙醇清洗過后，浸入該分散液中幾分鐘，然后將其取出取出在65℃下干燥，干燥后的海綿用辛基三氯硅烷進行處理制得具有超疏水性的新型海綿。

1.3.3碳納米管/二氧化硅聚氨酯海綿疏水親油性的測試

碳納米管/二氧化硅聚氨酯海綿的疏水性和親油性分別通過材料與水滴的接觸角及對有機溶劑硅油吸收率來評價。其中接觸角的測定由接觸儀測定；對有機溶劑硅油的吸收率則通過海綿樣品的增重率來表示。除此之外，本實驗還對該材料的耐用性和表面耐磨性進行了測試。耐用性通過不同次數吸油放油循環后樣品接觸角和有機物吸收率來測試，而耐磨性則通過以下方法進行測試，先將新型海綿放于白紙之上，再將500g的砝碼置于海綿之上，然后緩慢拉出白紙，反復進行幾次然后通過接觸角和有機物吸收率來表征其耐磨性。

2 分析與結論

2.1 新型海綿制備過程的分析

將用無水乙醇洗滌的聚氨酯海綿浸于無碳納米管/二氧化硅的分散液中幾分鐘，在海綿自身毛細效應的作用下使碳納米管/二氧化硅的復合物不斷沉積于海綿的三維網狀結構中，之后運用化學氣相沉積法將長鏈烷烴沉積于海綿的三維網狀結構表面，使普通的聚氨酯海綿具有疏水親油的特性。

2.2 新型海綿的疏水親油性測試

取10μL、20μL、50μL的純水滴于海綿上，形成水滴，通過接觸儀測定，其接觸角依次為160°、150°、140°。所以制備的新型海綿疏水性良好，且隨著水滴體積增大，接觸角逐漸變小。當50μL硅油（油紅染色劑染色）滴于海綿表面時，海綿通過自身的毛細效應，很快將硅油吸收。以上現象表明新型海綿的親油性良好。

2.3 新型海綿的耐用性和表面耐磨性

通過新型海綿多次吸油-放油循環實驗后，測定其接觸角和吸油率，發現新型海綿的接觸角在5次循環內，其性能沒有明顯降低，在5次以后，才開始不斷下降，所以其耐用性較強。由于新型海綿是對海綿內部結構進行改性，所以表面的一般磨損并不會對海綿性能造成特別大的影響，固新型海綿的耐用性和表面耐磨性都較強。

[1]王會杰.超疏水功能界面的制備及應用[D].中國科學技術大學,2015.

[2]陳俊,王振輝,王瑋,毅男,張旺,尚文,張荻,鄧濤.超疏水表面材料的制備與應用[J].中國材料進展,2013,(07):399-405+441.