生物质碳掺杂纳米纤维毡的制备及其在分离油水混合物中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种生物质炭掺杂的聚丙烯腈PAN‑c纳米纤维毡的制备，是将植物根系材料粉碎后经处理后均匀分散在聚丙烯腈纺丝液中制得PAN‑c纺丝液，再利用将PAN‑c纺丝液利用静电纺丝仪涂敷在不锈钢网表面，即得PAN‑c纳米纤维毡。实验表明，本发明专利技术制备的纳米纤维毡具有空气中超亲和超亲油并且具有水下超疏油和油下超疏水的特殊浸润性质，可应用于多种类型的不互溶油水混合液体的分离，并且水下疏油和油下疏水的分离效率均在99.8%以上，具有性能稳定，分离效率高，穿透压力高等的优点。另外，本发明专利技术制备的纳米纤维毡原料廉价易得，制备过程简单、操作方便、成本低，可以进行大规模的产和应用。

【技术实现步骤摘要】
生物质碳掺杂纳米纤维毡的制备及其在分离油水混合物中的应用
本专利技术涉及生物质炭掺杂的聚丙烯腈纳米纤维毡（PAN-c）的制备方法，主要用于分离不互溶性油水混合液，如分离水-轻油混合液和水-重油混合液，属于复合纳米纤维材料
和油水分离领域。技术背景人类文明的进步和发展使社会生活变得极为便利，油料在日常生活中扮演者不可或缺的角色。随着全球能源需求的持续增长，石油泄露以及工业含油废水超标事故时常发生。有效地分离并回收利用这些事故中的废弃油料成为全球的一个巨大挑战，分离不互溶性油水混合液成为科学研究中的一个重要课题。传统的油水分离技术包括：重力分离、撇沫、浮选、离心分离等，这些技术虽然也能起到一定的油水分离作用，但都不具备高效的选择性分离或吸收能力。除此之外，传统的油水分离材料基本上不具备抗油污染能力，使得这些分离材料大多为一次性使用材料，处理这类分离过后的废弃材料通常会造成环境的再次污染。因此，从实际应用的角度来看，制备具有选择性过滤和选择性吸收油（水）而排斥水（油）的可循环使用的性油水分离材料仍然是一个巨大的挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种生物质炭掺杂的聚丙烯腈PAN-c纳米纤维毡的制备方法本专利技术的另一目的是提供上述生物质炭掺杂的聚丙烯腈PAN-c纳米纤维毡的纳在分离不互溶性油水混合物中的应用一、PAN-c纳米纤维毡的制备本专利技术PAN-c纳米纤维毡的制备方法，是将生物质材料粉碎后经酸处理，均匀分散于PAN纺丝液中配置成PAN-c纺丝液；以不锈钢网为基底，利用静电纺丝技术将PAN-c纺丝液制成纳米纤维毡。具体包括以下步骤：（1）生物质炭粉的制备：将植物根系材料用去离子水、乙醇浸泡以除去植物根系材料中的可溶解性无机物和有机物杂质，冷冻干燥后，粉碎至粒径在100目以下，加入到浓硫酸中搅拌处理20~30min，再加入过氧化氢，搅拌5~6小时，洗涤至中性，烘干，即得生物质炭粉。植物根系主要采用胡杨、沙柳、柽柳、红叶李、国槐等植物的根系材料。浓硫酸可以破坏生物质炭材料中木质素和纤维素的镶嵌结构，断开纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键，使其转化成小分子糖类。过氧化氢可以作为还原剂使生物质碳材料表面形成大量的官能团。（2）PAN-c纺丝液的制备：先将聚丙烯腈分散于丙酮-N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂中，在50~60℃水浴下磁力搅拌3~4h；冷却至室温后超声处理0.5~1h；再加入生物质炭粉，先搅拌3~4h，再超声0.5~1h，即得PAN-c纺丝液。丙酮-N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂中，丙酮与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:3~1:4。聚丙烯腈在混合溶剂中的含量为60~86mg/mL。生物质炭粉末与聚丙烯腈的质量比为1:2~1:10。（3）PAN-c纳米纤维毡：将PAN-c纺丝液利用静电纺丝仪纺制在不锈钢网表面，即得PAN-c纳米纤维毡。所述不锈钢网的网孔在1000目以上，不锈钢网的尺寸为5~6cm×20~25cm。静电纺丝条件：静电压力为18~18.1KV，滚筒接收距离为10~12cm，滚筒转速为50~60r/min，相对湿度为30%~40%。图1为原始不锈钢网（a）和本专利技术制备的PAN-c纳米纤维毡（b）的SEM图。由图b可以看出，PAN-c纳米纤维毡已经成功的制备，并且形成微纳米复合粗糙结构，并形成了纳米级孔隙。在PAN-c纳米纤维毡表面形成的这些微纳米粗糙结构以及纳米级孔隙结构，对于产生水下超疏油性及油下超疏水性中是至关重要的。二、PAN-c纳米纤维毡的特殊浸润性能1、浸润性测试空气中对水和油的接触角测试：将PAN-c纳米纤维毡水平放在接触角测量仪器上。分别取4μL油和水进行测量。水下对油的接触角测试：先将PAN-c纳米纤维毡浸泡在蒸馏水中，待完全浸润后，水平放在接触角测量仪器上，取4μL油进行测量。油下对水的接触角测试：先将PAN-c纳米纤维毡浸泡在不同种类的油中，待完全浸润后，水平放在接触角测量仪器上，取4μL水进行测量。测试结果：PAN-c纳米纤维毡在空气中的润湿性以及水下疏油和油下疏水的接触角见图2。其中，a、b、c、d分别为在空气中水的接触角（a），煤油的接触角（b），在水中煤油的接触角（c），在煤油中水的接触角（d）。由图2可见，PAN-c纳米纤维毡在空气中表现出超双亲性（图a、b），在水下表现出良好的疏油性（图c），在油下表现出良好的疏水性（图d），并且在水下对多种轻油（煤油、正己烷、石油醚）和重油（三氯甲烷等）下对水的接触角均大于150°（图e），表明，PAN-c纳米纤维毡具有超亲水/水下超疏油的特殊浸润性质，因此可用分离不互溶性油水混合物。2、分离性能测试以水-煤油为例进行分离实验：将PAN-c纳米纤维毡固定于分离装置中，然后倒入水-煤油混合液并在和重力作用下进行分离。实验显示本专利技术所制备的PAN-c纳米纤维毡将水-煤油混合液成功的分离。继续将PAN-c纳米纤维毡应用于水-正己烷、水-石油醚、水-三氯甲烷等体系，均能实现油水混合液的成功分离。图3为本专利技术制备的PAN-c纳米纤维毡分离油水前后的光学照片（a水-轻油体系，b水-重油体系）以及不同油水混合物的分离效率（c）和通量测试（d）。经过对多种油水混合物的分离测试得知，本专利技术制备的PAN-c纳米纤维毡对多种水-轻油以及水-重油体系均具有极高的分离效率（高于99.9%的分离效率，见图3c）。此外，PAN-c纳米纤维毡还呈现出相对较高的滤液通量（水-三氯甲烷体系通量高达4.03Lm-2s-1，见图3d）。3、穿透压力测试测试方法：以水-煤油体系为例，将上述PAN-c纳米纤维毡用水进行预浸润，以煤油为穿透相，利用循环水式抽滤泵引入负压对上述PAN-c纳米纤维毡进行穿透压力测试。图4为本专利技术制备的PAN-c纳米纤维毡穿透压力测试（a光学照片，b数据柱状图）结果，图4显示，本专利技术所制备的PAN-c纳米纤维毡具有高达50KPa的穿透压力。用同样的方法对水-石油醚、水-正己烷、水-三氯甲烷体系进行穿透压力测试，均显示出较高的穿透压力。综上所述，本专利技术制备的PAN-c纳米纤维毡具有空气中超双亲和水下超疏油以及油下超疏水的特殊浸润性质，可用于多种油水混合液的分离，并具有分离效率高、穿透压力大和化学稳定性高等优点。结合以上特性，本专利技术制备的PAN-c纳米纤维毡可以广泛应用于现实环境的分离不互溶性油水混合物领域。附图说明图1分别为原始不锈钢网（a）及PAN-c纳米纤维毡（b）的SEM图图2为本专利技术制备的PAN-c纳米纤维毡在空气中的浸润性测试图及水下接触角测试图。图3为本专利技术制备的PAN-c纳米纤维毡分离油水前后的光学照片（a水-轻油体系，b水-重油体系）以及不同油水混合物的分离效率（c）和通量测试（d）。图4为本专利技术制备的PAN-c纳米纤维毡穿透压力测试（a光学照片，b数据柱状图）。具体实施方式下述通过具体实施例对本专利技术PAN-c纳米纤维毡的具体制备方法及性能作进一步说明。实施例1（1）生物质炭粉的制备：取柽柳根系材料，用去离子水浸泡24h后进行冷冻干燥，再用无水乙醇浸泡12h，冷冻干燥后再次用去离子水浸泡24h，冷冻干燥；随后使用粉碎机粉碎。取10g生物质炭粉末加入60ml硫酸（质量浓度98%以上）中，搅拌20min后逐滴加入10ml过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.生物质炭掺杂的聚丙烯腈纳米纤维毡的制备方法，包括以下步骤：（1）生物质炭粉的制备：将植物根系材料用去离子水、乙醇浸泡，以除去植物根系材料中的可溶解性无机物和有机物杂质，冷冻干燥后粉碎至粒径在100目以下，再加入到质量浓硫酸中搅拌处理20~30min，再加入过氧化氢，搅拌5~6小时，洗涤至中性，烘干；（2）PAN‑c纺丝液的制备：先将聚丙烯腈分散于丙酮‑N,N‑二甲基甲酰胺混合溶剂中，在50~60℃水浴下磁力搅拌3~4 h；冷却至室温后超声处理0.5~1 h；再加入生物质炭粉，先搅拌3~4h，再超声0.5~1h，即得PAN‑c纺丝液；（3）PAN‑c纳米纤维毡：将PAN‑c纺丝液利用静电纺丝仪涂敷在不锈钢网表面，即得PAN‑c纳米纤维毡。

【技术特征摘要】
1.生物质炭掺杂的聚丙烯腈纳米纤维毡的制备方法，包括以下步骤：（1）生物质炭粉的制备：将植物根系材料用去离子水、乙醇浸泡，以除去植物根系材料中的可溶解性无机物和有机物杂质，冷冻干燥后粉碎至粒径在100目以下，再加入到质量浓硫酸中搅拌处理20~30min，再加入过氧化氢，搅拌5~6小时，洗涤至中性，烘干；（2）PAN-c纺丝液的制备：先将聚丙烯腈分散于丙酮-N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂中，在50~60℃水浴下磁力搅拌3~4h；冷却至室温后超声处理0.5~1h；再加入生物质炭粉，先搅拌3~4h，再超声0.5~1h，即得PAN-c纺丝液；（3）PAN-c纳米纤维毡：将PAN-c纺丝液利用静电纺丝仪涂敷在不锈钢网表面，即得PAN-c纳米纤维毡。2.如权利要求1所述生物质炭掺杂的聚丙烯腈纳米纤维毡的制备方法，其特征在于：步骤（1）中植物根系采用胡杨、沙柳、柽柳、红叶李、国槐等植物的根系材料。3.如权利要求1所述生物质炭掺杂的聚丙烯腈纳米纤维毡的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，丙酮-N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂中，丙酮与N,N-二甲基甲酰胺的体积比...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国富，王颖洁，彭辉，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62