纳米技术在油水分离领域的应用

李德宇 程向新 李美蓉（山东交通学院，山东 威海 264200）

纳米技术在油水分离领域的应用

李德宇 程向新 李美蓉（山东交通学院，山东 威海 264200）

水作为生命之源，一直都受到人们的高度重视。然而，现阶段水资源面临着很多威胁，而石油对水资源的污染尤其严重。为了解决这一问题，本实验小组利用超疏水材料的亲油特性，为油水分离提供了一条新的思路。以商用聚氨酯海绵作为主材料，用不同的纳米材料对聚氨酯海绵的三维网状结构进行沉积，同时用疏水的偶联剂加以修饰，达到超疏水亲油的目的，并对其实用性进行探究。

水污染；纳米材料；疏水亲油

超疏水材料表面通常会表现出亲油性，其原因主要有以下两点：一是由于超疏水材料自身低表面能与油性液体表面能相近；二是因为超疏水材料表面结构较粗糙也可以提高其亲油性。

现阶段，基于纳米技术制备的超疏水亲油复合颗粒，虽然具有十分广阔的应用前景，然而却面临着产率较低、成本较高等问题，使其应用范围和普及程度收到了极大地限制。因此，我们选用较为廉价的商用聚氨酯海绵作为主材料，通过纳米技术对其进行改良，使其具有超疏水亲油的性质，进一步降低超疏水亲油材料的成本，为其投入市场打下良好的基础。

据报道，各国众多学者都利用纳米技术对不同的金属网筛进行改性，使其具有超疏水亲油的特性，其中Wu等人以钢制网筛为基板，乙酸锌为前驱体，通过一系列手段制备出具有超疏水亲油性质的网筛能够有效地分离油水混合液。对比聚氨酯海绵，金属网筛用于油水分离有很多局限性。首先，金属重量较重，面对大面积水面浮油污染，处理起来鞭长莫及，投放与回收都较为困难；价格低廉表面多孔的海绵，具有毛细效应，因此对于油水分离是一种理想的主材料。也是超疏水亲油材料一个新的研究热点。并且，已有学者尝试将疏水性质的溶液喷涂于海绵表面，进行干燥制备出超疏水亲油性新型海绵。此方法简单有效，但是由于涂层仅附着于海绵表面，容易脱落，从而导致耐用性较差效果。所以，我们决定通过在海绵的网络结构中沉积纳米材料并用疏水的烷烃对其进行修饰降来降低材料表面能，以期望达到较好的效果。

1 材料和方法

1.1 实验原料

氨水、正硅酸乙酯、无水乙醇、戊烷、正己烷、庚烷、苯、甲苯、油红染色剂、辛基三氯硅烷、硅油、纯水、聚氨酯海绵（以上药品试剂均为市售化学纯）

1.2 主要仪器设备

超声波清洗仪、磁力搅拌器、电子天平、低速离心机、电热鼓风干燥箱

1.3 实验方法

1.3.1碳纳米管/二氧化硅的制备

首先将0.1 g羟基化了的碳纳米管与100m L无水乙醇混合，用超声清洗仪使其均匀分散。然后滴加0.5m L的正硅酸乙酯和0.5m L的浓氨水于上述分散液中，并辅以磁力搅拌，持续8小时。将得到的反应液用无水乙醇以及去离子水洗涤然后离心重复3次，将沉淀物置于65℃的干燥箱中干燥10小时，得到碳纳米管/二氧化硅的复合物。

1.3.2碳纳米管/二氧化硅修饰聚氨酯海绵

将制得的碳纳米管/二氧化硅复合物用超声波清洗仪分散于无水乙醇中，将聚氨酯海绵用乙醇清洗过后，浸入该分散液中几分钟，然后将其取出取出在65℃下干燥，干燥后的海绵用辛基三氯硅烷进行处理制得具有超疏水性的新型海绵。

1.3.3碳纳米管/二氧化硅聚氨酯海绵疏水亲油性的测试

碳纳米管/二氧化硅聚氨酯海绵的疏水性和亲油性分别通过材料与水滴的接触角及对有机溶剂硅油吸收率来评价。其中接触角的测定由接触仪测定；对有机溶剂硅油的吸收率则通过海绵样品的增重率来表示。除此之外，本实验还对该材料的耐用性和表面耐磨性进行了测试。耐用性通过不同次数吸油放油循环后样品接触角和有机物吸收率来测试，而耐磨性则通过以下方法进行测试，先将新型海绵放于白纸之上，再将500g的砝码置于海绵之上，然后缓慢拉出白纸，反复进行几次然后通过接触角和有机物吸收率来表征其耐磨性。

2 分析与结论

2.1 新型海绵制备过程的分析

将用无水乙醇洗涤的聚氨酯海绵浸于无碳纳米管/二氧化硅的分散液中几分钟，在海绵自身毛细效应的作用下使碳纳米管/二氧化硅的复合物不断沉积于海绵的三维网状结构中，之后运用化学气相沉积法将长链烷烃沉积于海绵的三维网状结构表面，使普通的聚氨酯海绵具有疏水亲油的特性。

2.2 新型海绵的疏水亲油性测试

取10μL、20μL、50μL的纯水滴于海绵上，形成水滴，通过接触仪测定，其接触角依次为160°、150°、140°。所以制备的新型海绵疏水性良好，且随着水滴体积增大，接触角逐渐变小。当50μL硅油（油红染色剂染色）滴于海绵表面时，海绵通过自身的毛细效应，很快将硅油吸收。以上现象表明新型海绵的亲油性良好。

2.3 新型海绵的耐用性和表面耐磨性

通过新型海绵多次吸油-放油循环实验后，测定其接触角和吸油率，发现新型海绵的接触角在5次循环内，其性能没有明显降低，在5次以后，才开始不断下降，所以其耐用性较强。由于新型海绵是对海绵内部结构进行改性，所以表面的一般磨损并不会对海绵性能造成特别大的影响，固新型海绵的耐用性和表面耐磨性都较强。

[1]王会杰.超疏水功能界面的制备及应用[D].中国科学技术大学,2015.

[2]陈俊,王振辉,王玮,毅男,张旺,尚文,张荻,邓涛.超疏水表面材料的制备与应用[J].中国材料进展,2013,(07):399-405+441.