大通量高稳态用于油水分离的超亲水三维多孔基材制造技术

本发明专利技术涉及一种大通量高稳态用于油水分离的超亲水三维多孔基材，该三维多孔基材以原位掺杂法制备的微纳米级亲水性材料基海绵为支架，以加入防腐剂的亲水性水凝胶对其进行功能化修饰，并以亲水的黑水泥增强亲水性水凝胶的附着力及海绵的强度，整个制备过程主要包括混掺‑发泡、吸附‑填充、干燥‑固化及加工‑组合四步。本发明专利技术基于亲水性三维多孔海绵基材用于油水分离时不是以传统的吸油材料的吸附‑脱附的模式进行，而是以该基材为过水‑阻油的滤层，通过调节基材单元的厚度、基材组合件的面积及增加基材组合件的数量等条件，通过水泵汲水的方式达成大通量高稳态的油水处理的目的，对轻质油‑水混合物及重质油‑水混合物均适用。

High flux and high steady state ultra hydrophilic three dimensional porous substrate for oil-water separation

The invention relates to a high steady-state flux used for oil-water separation of the super hydrophilic porous material, the three-dimensional porous substrate by in situ doping prepared by micro nano hydrophilic material base sponge, modified to add preservatives on the hydrophilic hydrogel, and hydrophilic black cement enhanced adhesion and sponge the hydrophilic hydrogel strength, the preparation process includes mixing foam, adsorption filling, dry curing and processing combination of four step. The invention of hydrophilic porous sponge substrate used for oil-water separation based on time than in the traditional oil absorbing materials adsorption desorption model, but to the substrate is a filter layer of water oil resistance, by adjusting the substrate unit thickness, substrate assembly area and increase the number of substrate assembly conditions a large, high flux steady water treatment through the water pump and water way of light oil and heavy oil and water mixture water mixtures are applicable.

【技术实现步骤摘要】
大通量高稳态用于油水分离的超亲水三维多孔基材
本专利技术属于功能性材料
，具体涉及一种大通量高稳态用于油水分离的亲水性三维多孔基材。
技术介绍
船舶压舱水、加油站油罐渗水、石油炼化、机械设备加工、江河油料泄漏、海洋漏油、油田注水采油、页岩油开采等产生的天量的油水混合物，实现油水混合物中油和水的分离尤其是大量油水混合物的快速、高效处理是当前环保领域面临的一个重大课题。低成本的实现油水混合物的有效分离一方面可以回收油料用于再生产利用、可以减少油水混合物的处理成本，即降低生产加工成本带来了经济效益，另一方面对于环境的治理与保护大有裨益，由此增加了良好的社会效益。近年来，大量的探索研究主要集中在构造具有疏水亲油或疏油亲水特性表面的功能化海绵、网布或织物等基材基于吸-脱附和过滤的方式实现油水混合物。如中国专利CN103342827B公开了一种疏水亲油性聚氨酯海绵的制备方法，该方法基于鳞片石墨制备出膨胀石墨，再经浓硝酸长时间回流处理，并在氨水和乙醇的混合溶液中超声数小时，后将用丙酮和去离子水超声清洗的聚氨酯海绵浸入得到的入石墨烯乙醇溶液中，取出干燥后达到亲油疏水的目的，进而用于油水分离。该方法过程复杂且用到浓硝酸及丙酮等高危、高毒性试剂，带来了额外的环境污染问题，大大提高了生产成本。同时石墨烯与海绵之间没有或仅有少量的官能团连接，在吸油-挤压脱油的过程中无疑会大量脱落，这不但使海绵的性能大大降低，而且还会因为石墨烯的脱落而污染油品和水体，造成额外的污染威胁。中国专利CN102953268B公开了一种超亲油超疏水油水分离涤纶纺织品的制备方法，其先以甲醇、正己烷等为溶剂，通过氨水、盐酸的调节，制备基于正硅酸乙酯和六甲基二硅氮烷的疏水性的硅溶胶，再将涤纶织物在上述疏水性的硅溶胶中进行浸轧处理，可获得超亲油超疏水油水分离的涤纶纺织品。上述制备的用于油水分离的海绵及涤纶纺织品，是基于材料表面的疏水-亲油的特性。对于前者仅适用于少量或小面积的油水混合物的工况条件下，同时需要特殊的设备对海绵进行吸脱油处理，处理效率不高；对于后者，适合处理大量的油水混合物，但对制备工艺要求过高，因为必须做到功能性材料对织物表面100%的牢固覆盖，否则一点点的瑕疵就会有油品通过，进而大幅增加处理后水中油品的含量，且对油水混合物的纯洁度有一定的要求，即不能含有明显的杂质，包括颗粒、悬浮物、乳化油等，否则会造成网孔的阻塞，进而导致通量大大降低，势必要进行织物频繁的更换。这些因素都制约类似产品的实际应用。
技术实现思路
本专利技术所基于聚氨酯海绵、聚乙烯醇海绵、密胺海绵等海绵具有大量羟基、氨基等活泼官能团，易于与聚乙烯醇基水凝胶基于氢键等作用力紧密结合在一起，达到海绵亲水性目的，加入一定量的亲水性黑水泥可以增强海绵的机械强度，一定量的防腐剂的添加亦可延长基材的使用寿命和保持分离效率。本专利技术基于此制备的大通量高稳态用于油水分离的亲水性三维多孔基材，进行油水分离时不是以传统吸附材料的吸附-脱附的模式进行，而是以该基材为过滤层，通过调节基材单元的厚度、基材组合件的面积及增加基材组合件的数量等条件，通过泵吸汲水或过滤的方式实现大通量高稳态的油水处理的目的，对轻质油-水混合物及重质油-水混合物均适用。具体的技术方案是，本专利技术的超亲水三维多孔基材以原位掺杂法制备的微纳米级亲水性材料基海绵为支架，以加入防腐剂的亲水性水凝胶对其进行功能化修饰，并以亲水的黑水泥增强亲水性水凝胶的附着力及海绵的强度，整个制备过程主要包括，1、混掺-发泡：将微纳米级亲水性材料，如亲水性二氧化硅、亲水性氧化石墨、亲水性氧化石墨烯、亲水性纳米二氧化钛、亲水性纳米氧化锌等的一种或几种，通过搅拌、超声等方式分散于聚氨酯海绵、密胺海绵、聚乙烯醇海绵等海绵发泡的主要原料中；微纳米级亲水性材料可采用低温等离子体表面枝接技术进行预处理以增加其表面亲水性官能团，等离子辐照功率为50-300W，辐照时间为0.5-5min，真空度为30Pa-120Pa，掺杂量相对于海绵发泡主要原料的质量分数为0.01–0.5%，发泡海绵的规格为每平方英寸的海绵质（PPI）大于40，形状、厚度及面积可根据实际应用工况条件下以特殊模具构造。2、吸附-填充：1）首先通过加热，γ射线、紫外线辐照等交联方式制备质量浓度为0.1-2%的亲水性聚乙烯醇基水凝胶水溶液，可以是聚乙烯醇水凝胶、聚乙烯醇-戊二醛交联水凝胶、聚乙烯醇-甲醛交联水凝胶或聚乙烯醇-单宁酸交联水凝胶。在上述水凝胶中添加部分步骤1制备的微纳米级亲水性材料并使其分散均匀以增强亲水性及构造粗糙表界面结构，微纳米级亲水性材料相对于水凝胶溶液的质量分数为0.02-0.5%；2）在配制聚乙烯醇水溶液或亲水性水凝胶溶液的过程中可添加一定量的防腐剂，如山梨酸、苯甲酸、对羟基苯甲酸、水杨酸等，以在使用过程中抑制菌类的繁殖而导致的水凝胶及海绵支架的结构破坏，进而延长基材的使用寿命和保持分离效率，其中添加的防腐剂的质量为相对于聚乙烯醇干粉的1–5%；3）加入相对于上述聚乙烯醇基水凝胶水溶液总质量15–35%的黑水泥并充分搅拌；4）聚氨酯海绵、聚乙烯醇海绵、密胺海绵等因其具有大量羟基、氨基等活泼官能团，易于与聚乙烯醇基水凝胶基于氢键等作用力紧密结合在一起，故将步骤1获得的特定形状的海绵浸入上述制备的聚乙烯醇基水凝胶水溶液中，并逐面按压数次直至海绵吸收液体到饱和态，并保持1-10min。3、脱水-固化：待达到吸附饱和状态后，对于基材中混有黑水泥的情况，取出后可先置于室温或15–55℃环境中保持1–7天使水泥固化，之后用电热空气鼓风干燥、真空加热干燥、红外辐照加热或微波辐照加热等方式脱去水分并使树脂固化，干燥过程控制温度为60–160℃范围内，在脱水的过程中，聚乙烯醇基水凝胶逐渐固化于海绵骨架的表面之上，即获得亲水性三维多孔海绵基材。吸附-填充及脱水-固化步骤可重复进行1–2次。4、加工-组合：得到的亲水性多孔基材可结合实际应用情况加工-组合成适宜工况条件下的油水分离装置，使用前在水中浸泡10–30min后，亲水性海绵达到水的饱和吸附，即可通过水泵汲水或过滤的方式用于多种油水混合物中油与水的快速分离。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术基于海绵具有大量羟基、氨基等活泼官能团，易于与聚乙烯醇基水凝胶基于氢键等作用力紧密结合在一起，而亲水黑水泥的加入进一步以增强了水凝胶的附着力及海绵的强度，以此制备大通量高稳态用于油水分离的亲水性三维多孔基材，与制备疏水-亲油界面材料相比，该工艺工程简单、稳定，成本低，无高毒、高危试剂的使用。本专利技术基于亲水性三维多孔海绵基材用于油水分离时不是以传统的吸油材料的吸附-脱附的模式进行，而是以该基材为过水-阻油的滤层，通过调节基材单元的厚度、基材组合件的面积及增加基材组合件的数量等条件，通过水泵汲水的方式达成大通量高稳态的油水处理的目的，对轻质油-水混合物及重质油-水混合物均适用。本专利技术在配制聚乙烯醇水溶液或亲水性水凝胶溶液的过程中添加了一定量的防腐剂，在使用过程中抑制菌类的繁殖，防止了水凝胶及海绵支架的结构被破坏，延长了基材的使用寿命和保持基材的分离效率。本专利技术在混掺-发泡及吸附-填充步骤中掺杂的微纳米级亲水性纳米颗粒，如亲水性纳米二氧化钛和亲水性纳米氧化锌等，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大通量高稳态用于油水分离的超亲水三维多孔基材，其特征在于：该三维多孔基材以原位掺杂法制备的微纳米级亲水性材料基海绵为支架，以加入防腐剂的亲水性水凝胶对其进行功能化修饰，并以亲水的黑水泥增强亲水性水凝胶的附着力及海绵的强度，整个制备过程主要包括混掺‑发泡、吸附‑填充、干燥‑固化及加工‑组合四步。

【技术特征摘要】
1.一种大通量高稳态用于油水分离的超亲水三维多孔基材，其特征在于：该三维多孔基材以原位掺杂法制备的微纳米级亲水性材料基海绵为支架，以加入防腐剂的亲水性水凝胶对其进行功能化修饰，并以亲水的黑水泥增强亲水性水凝胶的附着力及海绵的强度，整个制备过程主要包括混掺-发泡、吸附-填充、干燥-固化及加工-组合四步。2.根据权利要求1所述的一种大通量高稳态用于油水分离的超亲水性三维多孔基材，其特征在于：掺杂的微纳米级亲水性材料包括亲水性二氧化硅、亲水性氧化石墨、亲水性氧化石墨烯、亲水性纳米二氧化钛、亲水性纳米氧化锌等中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的一种大通量高稳态用于油水分离的亲水性三维多孔基材，其特征在于：所述的微纳米级亲水性材料可进一步采用低温等离子体表面枝接技术进行预处理以增加其表面亲水性官能团，等离子辐照功率为50-300W，辐照时间为0.5-5min，真空度为30Pa-120Pa。4.根据权利要求1所述的一种大通量高稳态用于油水分离的亲水性三维多孔基材，其特征在于：所述的微纳米级亲水性材料的掺杂量相对于海绵发泡主要原料的质量分数为0.01-0.5%，且通过搅拌、超声的方式分散于主要原料中；所述的海绵为聚氨酯海绵、密胺海绵、聚乙烯醇海绵，规格为每平方英寸的海绵质（PPI）大于40。5.根据权利要求1所述的一种大通量高稳态用于油水分离的亲水性三维多孔基材，其特征在于：所述的亲水性水凝胶溶液中水凝胶可以是聚乙烯醇水凝胶、聚乙烯醇-硼酸交联水凝胶、聚乙烯醇-硼砂交联水凝胶、聚乙烯醇-戊二醛交联水凝胶、聚乙烯醇-甲醛交联水凝胶、聚乙烯醇-单宁酸交联水凝胶等的一种或几种，其中交联方式包括加热，γ射线、紫外线辐照，所制备的聚乙烯醇基水凝胶水溶液的质量浓度为0.1-2%；同时可选择性的通过搅拌及超声的方式分散微纳米级亲水性材料中的一部分于其中，微纳米级亲水性材料相对于水凝胶溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈文，沈寒松，蒋益鑫，沈兴华，管晓弟，
申请(专利权)人：江苏盖姆纳米材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32