三種油水分離用超疏水親油濾網制備綜合實驗

曾秀敏，阮 濤

(華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640)

在理工科學科中，實驗教學是一種重要的實踐教學方式[1-3]。傳統的實驗教學，偏驗證性實驗，由老師制定實驗方案，學生預習實驗、按照實驗操作重復結果，強調實驗操作規范性、結果準確性，能夠培養學生的基本實驗操作，但實驗比較枯燥，無法激發學生學習熱情，更無法接觸的前沿的科研方向以及分析測試手段[4-6]。教育部印發《關于深化本科教育教學改革， 全面提高人才培養質量的意見》中指出：強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉化為教學內容，激發學生專業學習興趣。我院依托國家自然科學基金項目，設計油水分離用超疏水親油濾網的制備實驗，并進行教學實踐。

水是生命的源泉，是寶貴的自然資源。目前，工業的高速發展，需要大量的石油產品作為能源以及原料。而在石油煉制、運輸過程中，石油原料及石油產品的泄露、廢物的排放等對于水的污染日漸嚴重。傳統的油水處理技術(燃燒法、離心法、重力法、浮選法、化學絮凝法)[7-8]存在分離效率低、能耗高、容易造成二次污染等缺陷。近年來，基于界面科學和仿生學思想的超疏水親油材料引起了科研工作者極大的關注[9-10]。通過對材料表面進行結構和化學組成的調控，賦予材料超疏水親油性能，使材料表面對水的接觸角大于150°，對油的接觸角小于10°[11]，因此能選擇性地濾除或者吸附油，從而將油水兩相分離開。其中超疏水親油材料因具有極高的選擇性和吸油率，逐漸成為處理油污染的研究熱點[12-13]。為實現油水混合物的高效分離，高性能濾網必須具備的特征：①具有合適的孔徑，既保證高的分離純度又保證高的分離通量[14]；②濾網對水的阻力大，水不能透過，對油的阻力小，能讓油順利通過； ③濾網的微觀結構和表面性質。

有利于提高油液的傳送效率，降低分離能耗。因此，多孔網膜的網孔孔徑、網膜表面的化學組成和微觀形貌對油水分離用超疏水親油濾網的制備至關重要[15]。整個實驗項目，為一個整體的化學工藝探索與優化方案，涉及化工學生已學的化工分離、物理化學、無機化學、化學工程與工藝知識，能夠鞏固學生已學知識，并進行融匯貫通，將理論知識應用到實踐中，有利于激發學生的科研興趣，為以后學生科研或工作打下基礎。

1 實驗試劑與儀器

1.1 實驗試劑

銅網，無水乙醇，鹽酸，氫氧化鈉，過硫酸銨，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，異丙醇，去離子水，棉布，甲基丙烯酸-七異丁基多面體齊聚物硅氧烷(C35H74O14Si8)(MAPOSS)，二氯乙烷，蘇丹III，3-巰基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)，乙酸乙酯，異辛烷，無水乙醇，十二烷，6107熱塑性丙烯酸樹脂，疏水SiO2納米粒子，400目不銹鋼濾網。

1.2 實驗儀器

分析天平，電熱鼓風干燥箱，超聲儀，油水分離器，接觸角分析儀，紫外線燈，高分辨掃描電鏡(SEM)。

2 實驗預習

在指導老師的幫助下，學生通過查閱國內外文獻，圍繞本科研實驗內容，通過選擇合適網孔孔徑的多孔網膜(銅網、棉布、不銹鋼)，選擇改性條件(在多孔網膜噴涂聚二甲基硅氧烷、多面體低聚倍半硅氧烷、熱塑性丙烯酸樹脂、二氧化硅等)，探索調控網膜表面化學組成和微觀形貌，各自提出自己的實驗方案、理論依據及具體實驗步驟，制備超疏水親油濾網。指導老師根據學生提交的預習報告，修改實驗方案，確定具體實驗步驟。

3 實驗設計

3.1 PDMS改性銅網實驗

(1)預處理：將尺寸為3 cm×3 cm的銅網依次在乙醇、異丙醇和0.1 M鹽酸中超聲洗滌10 min以除去表面污漬和氧化物；

(2)氧化：分別配制12.5 mL的10 mol/L氫氧化鈉和5 mL的1 mol/L過硫酸銨，將兩者混合后用32.5 mL的去離子水稀釋。將處理好的銅網放入混合溶液中，室溫反應10 min，洗凈吹干；

(3)涂覆：然后將PDMS按照A和B組分為10:1的比例(A：0.1 g、B：0.01 g)溶解在適量二氯乙烷(約20 mL)中配置成溶液，將吹干的銅網，浸沒在溶液中5 min后取出，80 ℃固化1 h。

3.2 棉布接枝MAPOSS實驗

(1)預處理：首先將尺寸為3 cm×3 cm的棉布浸泡在含有0.15 mol/L的MPTES乙醇溶液中兩小時，然后用乙醇清洗干凈，在80 ℃下干燥1 h；

(2)接枝MAPOSS：將干燥的棉布在含有MAPOSS (1.5wt%)和HMPF(0.15wt%)的30 mL二氯乙烷中浸泡 10 min，然后取出，放在紫外燈下照射1 h。最后用乙醇清洗并在60 ℃下干燥。

3.3 不銹鋼網涂SiO2實驗

(1)預處理：將400目的不銹鋼濾網剪裁成尺寸為40 mm×40 mm大小，并依次浸泡在丙酮、乙醇和去離子水中分別超聲清洗5 min，以除去不銹鋼濾網表面的油污雜質，最后在電熱鼓風干燥箱中干燥，備用；

(2)制備溶液：稱取一定量的熱塑性丙烯酸樹脂，并將其溶解在乙酸乙酯溶液中，超聲溶解10 min，配成濃度為5wt%的熱塑性丙烯酸樹脂乙酸乙酯溶液。稱取一定量的疏水SiO2，并將其分散于乙酸乙酯溶液中，超聲分散30 min，配成濃度為0.5wt%的疏水SiO2乙酸乙酯溶液；

(3)噴涂：將清洗過的不銹鋼濾網浸泡在熱塑性樹脂乙酸乙酯溶液中2 min，慢慢提拉出來，盡可能均勻些，常溫干燥。接著，用噴涂的方法將疏水SiO2粒子噴涂在浸涂了熱塑性丙烯酸樹脂涂膜的濾網上，常溫干燥后在100 ℃的條件下加熱 10 min，然后冷卻到常溫用乙醇洗滌樣品3遍。再在 5wt%的熱塑性丙烯酸樹脂乙酸乙酯溶液中浸漬30 s，常溫干燥后在反面噴涂0.5wt%的疏水SiO2乙酸乙酯，然后100 ℃加熱10 min，冷卻到常溫，用乙醇洗滌樣品3遍。重復浸涂-噴涂步驟2遍，即制得超疏水超親油不銹鋼濾網(PINF-SSM)。

3.4 樣品分析

(1)測試油水分離效率：稱量空燒瓶質量，然后稱10 g二氯乙烷和適量去離子水混合加入燒瓶中，再加入少許蘇丹III染色。將上述制得的濾網用于分離燒瓶混合液，最后稱量燒瓶和分離出的二氯乙烷總質量，計算得出油水分離效率；

(2)表征分析：測量去離子水在樣品表面的靜態接觸角，用SEM電鏡表征樣品表面微觀結構。

4 實驗結果與分析

4.1 銅網涂覆PDMS

對改性前后的銅網進行靜態接觸角測試如圖1所示。

圖1 銅網涂覆PDMS前后靜態接觸角Fig.1 Static contact angle before and after copper mesh coating PDMS

銅網涂覆PDMS改性前，接觸角為53.25°；銅網涂覆PDMS改性后，接觸角152°，改性后，銅網疏水效果良好。銅網涂覆PDMS改性后，進行油水分離效率測試，測得效率為92.7%。

對銅網涂覆PDMS改性前后進行SEM分析如圖2所示。

銅網表面附著物的性質及其表面形貌，影響銅網的表面疏水性[10]。如圖2所示，銅網涂覆PDMS改性前，銅網的網狀結構明顯，在高倍率電鏡圖下，銅網表面光滑，無凸起物；銅網涂覆PDMS改性后，銅網疏松的網狀結構被充滿，在高倍電鏡觀察下，銅網表面覆蓋一層棒狀物，由于銅網表面覆蓋PDMS及粗糙度增加，致使銅網疏水性增加。

圖2 銅網涂覆PDMS改性前后掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of copper mesh before and after PDMS modification

4.2 棉布接MAPOSS

對棉布接POSS前后進行靜態接觸角測試如圖3所示。

圖3 棉布接MAPOSS前后靜態接觸角Fig.3 Static contact angle of cotton cloth before and after grafting MAPOSS

如圖3所示，未改性前的棉布，靜態接觸角為0°；棉布接MAPOSS后，表面接觸角為152°，棉布由親水性變為疏水性，棉布接MAPOSS改性后，進行油水分離效率測試，測得效率為81.16%。

圖4 棉布接MAPOSS前后掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of cotton cloth before and after grafting MAPOSS

對棉布接MAPOSS前后SEM電鏡掃描如圖4所示。

如圖4所示，棉布改性前，棉布表面紋路明顯，表面光滑，無顆粒；棉布接MAPOSS改性后，棉布表面接上MAPOSS小顆粒，由于棉布表面接MAPOSS及粗糙度增加，棉布疏水性增加。

4.3 不銹鋼網噴涂SiO2

對不銹鋼網噴涂SiO2前后進行靜態接觸角測試如圖5所示。

圖5 不銹鋼網噴涂SiO2前后靜態接觸角Fig.5 Static contact angle of stainless steel net before and after spraying SiO2

如圖5所示，未改性前的不銹鋼網，靜態接觸角為83°；不銹鋼網噴涂SiO2改性后，表面接觸角為153°，不銹鋼網由親水性變為疏水性，不銹鋼網噴涂SiO2改性后，進行油水分離效率測試，測得效率為82.50%。

對不銹鋼網噴涂SiO2前后進行SEM測試，結果如圖6所示。

圖6 不銹鋼網噴涂SiO2前后掃描電鏡圖Fig.6 SEM images of stainless steel net before and after spraying SiO2

如圖6所示，未噴涂SiO2前，不銹鋼網狀結構明顯，孔隙率大，在高倍率掃描電鏡觀察下，不銹鋼網表面光滑；不銹鋼網噴涂SiO2后，不銹鋼網狀結構被堵塞，孔隙基本被堵塞，在高倍率掃描電鏡觀察下，表面出現一層明顯的顆粒感。由于不銹鋼網噴涂SiO2及表面粗糙度增加，導致了其疏水效果增加；但由于實驗室過程中，噴涂SiO2過多，導致堵塞不銹鋼網狀結構，油水分離過程中阻力增大，影響了油水分離效果。

5 實驗教學效果

實驗為科研項目轉化的探究性實驗：在兩屆教學實踐過程中，以學生為主導，教師采用啟發式、討論式和建議式的模式，鍛煉學生通過查閱科技文獻資料獲得新知識的能力及提出問題、分析問題、解決問題的能力。老師給定油水分離用超疏水親油濾網的制備方向，由學生充分查閱國內外文獻，了解該方向的發展前沿和存在的問題，在本科研項目前人的基礎上，設計工藝優化方案。并根據設計實驗方案，學生動手操作實驗、數據處理、結果分析、實驗結論，老師根據實驗結果，提出建議，由學生繼續進行實驗方案優化，不斷探索。

6 結 語

超疏水親油濾網的制備，需要使用不同材料修飾濾網，其中，材料的形貌、顆粒大小、加入量等，都對實現濾網的超疏水性能有影響。通過對三種不同材質的濾網進行改性，對比其油水分析效率及影響原因，能激發學生主動尋找解決問題的興趣，進一步激發其了解現代科學發展的興趣。且利用大型儀器進行表征，讓學生接觸到現代先進的檢測分析手段，實驗條件改變，引起的實驗結果變化直觀可見，如濾網形貌變化(SEM測試)，改變材料性能，導致接觸角變化(接觸角測量儀測試)，能夠啟迪學生的思考，進而激發學生的科研創造力，引起學生好奇心，激發學生學習興趣。