一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法。先将木材经由甘油/碳酸钾组成的低共熔溶剂(DES)处理，通过真空冷冻干燥制备出高压缩性和吸附性的3D结构木材，再将其置于氯化胆碱/氯化锌DES体系中经十六烷基三甲氧基硅烷(HTDMS)处理，得到具有优异油水分离能力的超疏水木材。本发明专利技术的特点是解决了以往以木材为基材构建吸附材料会造成环境污染，制备工艺复杂，生产成本高等问题。本发明专利技术操作简单，选用价格便宜且绿色环保的反应溶剂，反应条件温和，得到的超疏水木材耐久性好，对工业油，食用油和有机溶剂均有很好的吸附性，吸油倍率约为自身重量10倍，反应过程中脱除的产物可循环再利用，有利于工业化持续生产。

A preparation method of water-oil separation material based on natural wood

【技术实现步骤摘要】
一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法
本专利技术涉及木材功能改性
，具体涉及一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法。
技术介绍
近年来，频繁发生的石油泄露事故和工业含油污水的违规排放给水体带来的污染日趋严重，对人体健康和海洋生态环境造成了巨大的危害。因此，发展从含油废水中快速、大量地收集和回收油类和有机污染物的方法成为当今世界亟待解决的环境问题。在众多的油水分离方法中，投放高性能的多孔吸附材料不仅可以快速吸附水体中的油污，还可以通过简单挤压实现油品回收和吸附材料的重复利用，是处理大面积含油污水的有效途径。理想的油水分离吸油材料需要满足吸油量大、油水选择性高、价格低廉、可生物降解、可回收利用、无二次污染等条件。油水分离材料主要是指能够从水面上选择性大量吸附油渍、油污，还可回收溢油的粉末状、纤维状凝胶状或其集合体材料。目前吸油材料主要有天然吸油材料和合成吸油材料等。其中，合成吸油材料在其处置过程中会污染环境，如焚烧将会产生各种有害气体；若填埋，由于它们的不可生物降解性，会严重污染土壤以及地下水资源。因此天然吸油材料日趋占据主导地位，成为普遍关注的重点。而木材是自然界中广泛使用的天然生物质材料，由于木材的特殊组成结构，使其在吸附材料研究领域表现出巨大的潜力，近年来越来越得到研究者的广泛关注。已有研究利用木材构建具有水油分离功能的多孔隙结构木材，但是所用的方法是氢氧化钠法和亚氯酸钠法，这两种方法都存在处理时间长、处理工艺难控制、需要进行污水处理，对环境会产生二次污染以及生产过后的剩余物难以再次利用等问题。低共熔离子液体是由两种或多种成分组成的低共熔混合物，其合成原料均为很常见的化合物，来源丰富且价格低廉、易生物降解、无环境副作用，已成为绿色化学化工领域新的研究热点。因此利用低共熔离子液对天然木材进行改性处理，探寻一种反应温和，对环境友好，操作简单，且生产过程中产生的剩余物能够循环利用的水油分离材料的制备方法，对于天然水油分离材料的产业化生产具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的：为解决现有技术存在的问题，本专利技术旨在提供一种利用天然木材资源构建具有优良水油分离能力材料的制备方法，其制造过程简单，反应温和，环境友好。以价格便宜且环境友好的低共熔溶剂(DES)体系替代以往反应剧烈易产生污水的氢氧化钠法和亚氯酸钠法，且脱除的木质素可以收集再循环利用，实现可持续产业化发展，在经济和环保两方面都具有重要意义。本专利技术技术方案：将木材经过甘油/碳酸钾所组成的DES处理，再将制备出的3D结构木材在氯化胆碱/氯化锌所组成的DES体系中经十六烷基三甲氧基硅烷(HTDMS)改性处理。其反应机理为利用甘油/碳酸钾DES体系制备得到木材具有3D多孔结构，从而赋予其优异的吸附性。HDTMS可以发生水解反应生成的醇羟基与木材表面的羟基发生脱水缩合反应进而形成低表面能的硅氧烷；而氯化锌中Zn2+与木材表面的羟基反应生成ZnO附着在木材表面，进而形成二维有序的疏水薄膜层，得到超疏水木材。一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、称取一定量甘油和碳酸钾，二者摩尔比为8∶1，在一定温度下油浴加热，并保持一段时间，得到DES体系；步骤二、将木材样品浸泡在步骤一中所得DES体系，木材质量与DES溶液质量比为1∶10-1∶15，在一定温度下油浴加热，并保持一段时间，构建出3D结构木材；步骤三、将步骤二中所得的3D结构木材样品放入冷冻干燥箱中进行冷冻干燥；步骤四、称取一定量氯化胆碱和氯化锌，二者摩尔比为1∶2-1∶3，在一定温度下油浴加热，并保持一段时间，得到DES体系；步骤五、将十六烷基三甲氧基硅烷与氯化胆碱/氯化锌所组成的DES体系按照一定比例配置成溶液；步骤六、将步骤三中干燥后的3D结构木材浸泡在步骤五所配置的溶液中，在一定温度下水浴加热，并保持一段时间；步骤七、将步骤六处理完的样品干燥，得到具有水油分离能力的3D结构木材。进一步的，步骤一中，油浴加热温度为110-130℃，加热时间为2-4h。进一步的，步骤二中，油浴加热温度为120±10℃，加热时间为10-15h。进一步的，步骤三中，冷冻干燥温度为-58℃，干燥时间为24-30h。进一步的，步骤四中，油浴加热温度为110-130℃，加热时间为1-3h。进一步的，步骤五中，十六烷基三甲氧基硅烷与氯化胆碱/氯化锌所组成的DES体系质量比为3∶100。进一步的，步骤六中，水浴加热温度为70-90℃，加热时间为1-2h。进一步的，步骤七中，干燥时间为3-5h，干燥温度为103±2℃。进一步的，采用权利要求1-8任一所述的制备方法制备得到，所述木材的横切面的静态水接触角为150°-158°，滚动角小于10°。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1)本专利技术操作方法简单，装置原料易得，成本低廉，可生物降解，处理周期短，能耗低，所有反应过程在24h内便可完成，便于工业化生产。2)本专利技术所用的反应溶剂甘油/碳酸钾和氯化胆碱/氯化锌在处理结束后均可循环使用，从而节约生产成本，同时反应过程中产生的木质素也可收集后再利用，节约资源。3)本专利技术利用甘油/碳酸钾DES体系制备出的3D结构木材孔隙分散均匀，孔隙率达到90％，平均孔径为150-250nm，对于工业油，食用油和有机溶剂都有很好的吸附性，其吸油倍率约为自身重量10倍。4)本专利技术采用氯化胆碱/氯化锌DES体系结合HTDMS构建的天然水油分离材料具有超疏水性，其表面静态水接触角为150°-158°，滚动角小于10°，且超疏水稳定性和耐久性好。附图说明图1a是本专利技术的实施例1中巴沙木原木的横切面SEM图；图1b是本专利技术的实施例1中经甘油/碳酸钾所组成的DES浸渍后巴沙木横切面SEM图；图1c是本专利技术的实施例1中经氯化胆碱/氯化锌所组成的DES硅烷改性后木材横切面SEM图；图2a是本专利技术的实施例2中巴沙木原木的横切面SEM图；图2b是本专利技术的实施例2中经甘油/碳酸钾所组成的DES浸渍后巴沙木横切面SEM图；图2c是本专利技术的实施例2中经氯化胆碱/氯化锌所组成的DES硅烷改性后木材横切面SEM图；图3a是本专利技术的实施例3中巴沙木原木的横切面SEM图；图3b是本专利技术的实施例3中经甘油/碳酸钾所组成的DES浸渍后巴沙木横切面SEM图；图3c是本专利技术的实施例3中经氯化胆碱/氯化锌所组成的DES硅烷改性后木材横切面SEM图；图4是本专利技术的接触角测试图；图5是本专利技术的压缩性测试图，其中a-c为压缩操作步骤图；图6是本专利技术的油水分离能力测试图，其中a-d分别为吸附操作步骤图；图7是本专利技术的有机溶剂与水分离能力测试图其中a-d分别为吸附操作步骤图；具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作更进一步的说明。实施例1一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、称取一定量甘油和碳酸钾，二者摩尔比为8∶1，在110℃下油浴加热，并保持4h，得到DES体系；步骤二、将木材样品浸泡在步骤一中所得DES体系，木材质量与DES溶液质量比为1∶10，在110℃油浴加热，并保持15h，构建出3D结构木材；步骤三、将步骤二中所得的3D结构木材样品放入-58℃的冷冻干燥箱中冷冻干燥24h；步骤四、称取一定量氯化胆碱和氯化锌，二者摩尔比为1∶2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、称取一定量甘油和碳酸钾，二者摩尔比为8∶1，在一定温度下油浴加热，并保持一段时间，得到DES体系；步骤二、将木材样品浸泡在步骤一中所得DES体系，木材质量与DES溶液质量比为1∶10‑1∶15，在一定温度下油浴加热，并保持一段时间，构建3D结构木材；步骤三、将步骤二中所得的3D结构木材样品放入真空冷冻干燥箱中进行干燥；步骤四、称取一定量氯化胆碱和氯化锌，二者摩尔比为1∶2‑1∶3，在一定温度下油浴加热，并保持一段时间，得到DES体系；步骤五、将十六烷基三甲氧基硅烷与氯化胆碱/氯化锌所组成的DES体系按照一定质量比配置成溶液；步骤六、将步骤三中干燥后的3D结构木材浸泡在步骤五所配置的溶液中，在一定温度下水浴加热，并保持一段时间；步骤七、将步骤六处理完的样品干燥，得到具有水油分离能力的3D结构木材。

【技术特征摘要】
1.一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、称取一定量甘油和碳酸钾，二者摩尔比为8∶1，在一定温度下油浴加热，并保持一段时间，得到DES体系；步骤二、将木材样品浸泡在步骤一中所得DES体系，木材质量与DES溶液质量比为1∶10-1∶15，在一定温度下油浴加热，并保持一段时间，构建3D结构木材；步骤三、将步骤二中所得的3D结构木材样品放入真空冷冻干燥箱中进行干燥；步骤四、称取一定量氯化胆碱和氯化锌，二者摩尔比为1∶2-1∶3，在一定温度下油浴加热，并保持一段时间，得到DES体系；步骤五、将十六烷基三甲氧基硅烷与氯化胆碱/氯化锌所组成的DES体系按照一定质量比配置成溶液；步骤六、将步骤三中干燥后的3D结构木材浸泡在步骤五所配置的溶液中，在一定温度下水浴加热，并保持一段时间；步骤七、将步骤六处理完的样品干燥，得到具有水油分离能力的3D结构木材。2.根据权利要求1所述的一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，油浴加热温度为，110-130℃，加热时间为2-4h。3.根据权利要求1所述的一种利用天然木材构建水油分离材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，油浴加热温度为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨蕊，杜竞韬，连海兰，洪枢，梅长彤，石江涛，贾向东，彭俊懿，许俊，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32