一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法与应用技术

本发明专利技术属于油水分离、环境保护技术领域，公开提供了一种实现油水按需分离Janus膜材料及其制备方法。本发明专利技术使用低成本的方法在铜网上电沉积片状锌，采用简单的水热法在其上生长超亲水氧化锌(ZnO@Zn@Cu)，然后经过喷涂SiO2和十八硫醇的选择性修饰得到一侧超疏水，而另一侧展现出超亲水的Janus膜。这种不对称润湿性Janus膜可以实现油水混合物的按需分离，轻油重油油水混合物分离效率均保持在99.7％以上。并且Janus膜在经过50次砂纸打磨、酸碱腐蚀和循环测试后仍然保持超疏水性，表现出优异的耐久性。本发明专利技术提高了Janus膜的机械稳定性，改善了油水分离性能，且原材料价格低廉，来源广泛。泛。泛。

【技术实现步骤摘要】
一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法，特别是实现高油水混合物分离效率和按需分离，属于化工废水分离、环境保护


技术介绍

[0002]自然界中，在一些具有特殊结构的动植物身上(如荷叶、鱼鳞、甲壳虫)可以发生奇特的润湿现象，受此启发，专家们设计了各种微纳米结构的润湿性材料，用于自清洁、液滴操控、水雾收集和油水分离。其中，膜分离技术因其操作简单、高通量、高效率被认为是最有效的候选技术之一。然而传统分离膜的堵油、高能耗是油水分离领域的瓶颈。为此，研究人员制备了大量具有不对称润湿性的材料
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Janus材料。由于在材料的两面具有不同的组成和性质，Janus材料具备一些独特的物理、化学和生物特性，在油水分离、雾水收集和液滴操控等领域引起广泛关注。
[0003]目前构造Janus膜的方法主要有两大类。其一，通过在膜两侧构建非对称结构的“层
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层”制备法。其二，通过单面修饰或者选择性修饰的化学不对称修饰法。目前为止，人们已经开发了很多种方法来制备Janus膜，然而，随着社会的进步，人们在低成本环保、高效方面有了更多的需求，要获得具有截然相反的润湿性Janus材料仍然具有挑战性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法，膜的两侧具有不对称润湿性。相比以Zn片为基底一步水热法，本专利技术以铜网作为基底两步法合成超亲水ZnO，不仅能够降低成本，还能有效调控网的孔径。再进行简单的SiO2喷涂和ODT修饰，制备的Janus膜能在酸碱等艰苦环境下有效实现油水的按需分离,重油的分离效率99.8％以上，轻油的分离效率为99.7％以上。
[0005]目前很多润湿性膜一般具有单面润湿性，实现多种类型油水混合物具有一定的限制作用。随之而来的Janus膜因具备不对称润湿性，引起了学者们的广泛关注。为了实现水的定向运输以及高分离效率，有的研究者将Janus膜制备成两层不同结构，但其机械性能较差；而三层结构膜的制备比较复杂，同时也存在一定界面相容性问题。因此在提升膜的机械性能的同时，需兼顾膜的性能和分离效率，专利技术人以铜网材料作为基底，通过简单的沉积和水热反应，能保证膜的两面都呈超亲水，然后经过喷涂和修饰，得到不对称润湿性的Janus膜。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案是：一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007](1)超亲水ZnO@Zn@Cu网的制备
[0008]将2.5
×
2.5cm2铜网依次用丙酮、乙醇和去离子水洗涤；将浓硫酸和一定浓度的ZnSO4倒入烧杯中，并以洗净的铜网作阴极，铂片作阳极，设置电源为恒流输出模式，浸入该混合溶液中进行电沉积；然后配置Zn(NO3)2、NH3·
H2O混合溶液，将镀锌后的铜网与上述溶
液一并放置入反应釜中水热反应得到亲水的ZnO@Zn@Cu网；
[0009](2)Janus膜的制备
[0010]将氢氧化铝和体积分数为60％的磷酸按一定比例混合，加热搅拌冷却后得到磷酸铝胶粘剂；将SiO2分散到乙醇中超声得到混合溶液A；然后将磷酸铝溶解在去离子水中得到混合溶液B，将溶液A逐滴加入溶液B中，一边搅拌一边超声，得到喷涂液；再将喷涂溶液均匀喷涂在ZnO@Zn@Cu网上；最后将样品放入马弗炉中煅烧，待温度冷却至室温后，将其浸泡入ODT/EtOH溶液中，修饰得到具有不对称润湿性的Janus膜。
[0011]步骤(1)中强酸H2SO4的用量为3～6ml，优选为5ml；ZnSO4溶液的浓度为200～250g/L，优选为220g/L。
[0012]步骤(1)中电沉积中电流密度为15～20A/dm2，优选为18A/dm2；沉积时间为10～15min，优选为10min。
[0013]步骤(1)中，Zn(NO3)2的浓度为0.005～0.010M，优选为0.006M；NH3·
H2O的用量为2～3ml，优选为2ml。
[0014]步骤(1)中，水热反应温度为100～120℃，优选为110℃；反应时间为5～7h，优选为6h。
[0015]步骤(2)中氢氧化铝和磷酸的摩尔比为1:2～1:4，优选为1:3。
[0016]步骤(2)里混合溶液A中，SiO2的用量为0.5～1.0g，优选为0.5g；无水乙醇的用量为15～20ml，优选为15ml；超声时间为10～40min，优选时间为20～30min，更优选为30min。
[0017]步骤(2)里混合溶液B中，磷酸铝和去离子水的质量比为2:5～3:5，优选为2:5。
[0018]步骤(2)中喷涂所用气压在0.15～0.25MPa之间，优选为0.2MPa；马弗炉加热温度，首先100～120℃加热2～3h，优选为120℃加热2h；然后升温至220～240℃加热1～2h，优选为240℃加热1h。
[0019]步骤(2)中ODT/EtOH溶液的浓度为8～12mM，优选为10mM；修饰时间为0.5～1.5h，优选时间为0.5h。
[0020]所述的方法得到二维不对称润湿性的Janus膜应用于油水按需分离领域。
[0021]本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0022](1)本专利技术Janus膜由于含磷酸铝粘接剂SiO2以及ODT的选择性修饰，膜的界面相容性较好，具有较高的渗透性能和选择分离能力，重油的分离效率99.8％以上，轻油的分离效率为99.7％以上。
[0023](2)本专利技术Janus膜具有重复使用性和普适性，具备耐酸碱，耐磨损，抗紫外等性能。
[0024](3)本专利技术Janus膜的原材料来源广泛，价格低廉。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实例1中膜的形貌特征，其中原始铜网的FESEM电镜图为(a1～a3)，Zn@Cu网(b1～b3)，ZnO@Zn@Cu网(c1～c3)，喷涂正面(d1～d3)，喷涂反面(e1～e3)，修饰反面(f1～f3)。
[0026]图2为本专利技术实例1中膜的表征测试(XPS与XRD)。图a为原始铜网，Zn@Cu网，ZnO@Zn@Cu网的XPS全谱图；图b为喷涂侧，喷涂反侧的XPS全谱图；图c为改性修饰侧XPS全谱图及
S1s处的精细谱图；图d为原始铜网，Zn@Cu网，ZnO@Zn@Cu网的XRD表征。
[0027]图3为本专利技术实例1中油水分离性能测试相关数据，其中图a和图b为重油水混合物中二氯甲烷循环测试的分离效率，及重油二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷的分离效率和通量；图c和图d为轻油水混合物中正己烷循环测试的分离效率，及轻油正己烷、甲苯、异辛烷、菜籽油的分离效率和通量。
[0028]图4为本专利技术实例1中稳定性测试，a图为50次砂纸磨损测试中接触角的变化，b图是不同pH值液滴对超疏水侧CA的影响。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)超亲水ZnO@Zn@Cu网的制备将2.5
×
2.5cm2铜网依次用丙酮、乙醇和去离子水洗涤；将浓硫酸和一定浓度的ZnSO4倒入烧杯中，并以洗净的铜网作阴极，铂片作阳极，设置电源为恒流输出模式，浸入该混合溶液中进行电沉积；然后配置Zn(NO3)2、NH3·
H2O混合溶液，将镀锌后的铜网与上述溶液一并放置入反应釜中水热反应得到亲水的ZnO@Zn@Cu网；(2)Janus膜的制备将氢氧化铝和体积分数为60％的磷酸按一定比例混合，加热搅拌冷却后得到磷酸铝胶粘剂；将SiO2分散到乙醇中超声得到混合溶液A；然后将磷酸铝溶解在去离子水中得到混合溶液B，将溶液A逐滴加入溶液B中，一边搅拌一边超声，得到喷涂液；再将喷涂溶液均匀喷涂在ZnO@Zn@Cu网上；最后将样品放入马弗炉中煅烧，待温度冷却至室温后，将其浸泡入十八硫醇/乙醇(ODT/EtOH)溶液中，修饰得到具有不对称润湿性的Janus膜。2.如权利要求1所述的一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)电沉积所述ZnSO4溶液的浓度为200～250g/L；浓H2SO4的用量为3～6ml。3.如权利要求1所述的一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中电流密度为15～20A/dm2；沉积时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志光，徐颖，杨付超，邱磊，曾西，丁思理，黄麟棋，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：