一种具有表面微-纳结构的水精馏填料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有表面微-纳结构的水精馏填料及其制备方法 (Water rectification filler with surface micro-nano structure and preparation method thereof ) 是由 陈超 李佳懋 彭述明 钱达志 王和义 黄洪文 肖成建 王鑫 侯京伟 陈晓军 岳磊 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有表面微-纳结构的水精馏填料及其制备方法,所述水精馏填料的材料为金属,填料表面具有由变价金属氢氧化物的高表面能晶面组成的微-纳结构；所述制备方法包括：对水精馏填料原料进行除油脱脂、对水精馏填料原料进行表面羟基化处理和水精馏填料原料表面微-纳结构化处理三个步骤。本发明公开的具有表面微-纳结构水精馏填料,是一种全新的水精馏填料,其分离效率大幅度提升,利用本发明的水精馏填料够降低水精馏装置的填料高度,使水精馏装置小型化,降低投资成本和能耗。(The invention discloses a water rectification filler with a surface micro-nano structure and a preparation method thereof, wherein the water rectification filler is made of metal, and the surface of the filler is provided with the micro-nano structure consisting of high surface energy crystal faces of variable valence metal hydroxide; the preparation method comprises the following steps: the method comprises three steps of degreasing and degreasing the water rectification filler raw material, carrying out surface hydroxylation treatment on the water rectification filler raw material and carrying out micro-nano structurization treatment on the surface of the water rectification filler raw material. The water rectification filler with the surface micro-nano structure disclosed by the invention is a brand new water rectification filler, the separation efficiency is greatly improved, and the water rectification filler can be used for reducing the filler height of a water rectification device, so that the water rectification device is miniaturized, and the investment cost and the energy consumption are reduced.)
技术领域
本发明属于水精馏填料表面处理处理领域，尤其涉及一种具有表面微-纳结构的水精馏填料及其制备方法。
背景技术
水精馏技术在重水、重氧水以及贫氘水生产领域被广泛使用，在内陆核电站含氚废水去氚、乏燃料后处理厂含氚废水去氚以及聚变堆包层冷却水去氚等领域有巨大的应用前景。由于轻水/重水/重氧水/氚化水之间的相对挥发度极小，水精馏生产过程所需理论板数多、回流比高、装置庞大、需要多塔级联，投资成本和能耗都较高。为了减小水精馏装置规模，减少投资成本并提高操作经济性，需要尽可能提高水精馏填料的分离效率。
水精馏填料分离效率受到介质的物理性质，特别是粘度和表面张力等的影响，若直接将石油化工领域使用的常规精馏填料用于水精馏填料，那么水在填料表面难以有效铺展成膜，分离效率很低。为提高水精馏填料分离效率，需对常规商用填料作表面处理，尽可能直接增加填料的宏观表面积，并对不同材质改变填料的表面性质，增进亲水性，提高传质效率。
现有技术中通过对填料进行表面处理后，对于含水物系填料分离效率提升了约10～30％，天津大学和中国工程物理研究院核物理与化学研究利用表面氧化的方法对水精馏填料表面改性后，其水精馏填料的分离效率得到了很大提升，分离效率提升了84.2％～141.7％，但该填料用于水精馏时装置高度和体积仍然较大，还需进一步对水精馏填料进行进一步的改进。
因此，亟需一种高分离效率的水精馏填料，该水精馏填料具有较高的分离效率，利用其能够降低水精馏装置的填料高度，使水精馏装置小型化，降低投资成本和能耗。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种新型水精馏填料，该填料表面具有微-纳结构，该水精馏填料具有较高的分离效率，利用其能够降低水精馏装置的填料高度，使水精馏装置小型化，降低投资成本和能耗。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种具有表面微-纳结构的水精馏填料，所述水精馏填料的材料为金属，填料表面具有微-纳结构，所述微-纳结构由变价金属氢氧化物结晶形成。
优选的，所述金属为不锈钢、磷青铜、紫铜、镍和铝其中任意一种。
优选的，所述变价金属氢氧化物为铝氢氧化物、铜氢氧化物、锰氢氧化物、钴氢氧化物、镍氢氧化物和钛氢氧化物中的任意一种或多种。
优选的，所述微-纳结构为针状微-纳结构、雪花状微-纳结构、片状微-纳结构和树枝状微-纳结构中的任意一种。
一种具有表面微-纳结构的水精馏填料的制备方法，所述方法包括：
S1：利用脱脂剂或有机溶剂对水精馏填料原料进行除油脱脂；
S2：利用等离子体清洗装置对水精馏填料原料进行表面羟基化处理；
S3：进行水精馏填料原料表面微-纳结构化处理，清洗、干燥得到具有表面具有微-纳结构水精馏填料。
优选的，所述步骤S1包括以下步骤：
S11：根据水精馏填料原料表面油污的含量选择脱脂剂或有机溶剂；
S12：将水精馏填料原料浸泡在脱脂剂或有机溶剂溶液中，利用超声波进行清洗；
S13：采用去离子水清洗，除去水精馏填料原料表面的残余脱脂剂或有机溶剂。
优选的，所述步骤S2中进行水精馏填料原料表面羟基化的步骤为：
S21：将清洗后的水精馏填料原料置于等离子体清洗装置内；
S22：将等离子体清洗装置内空气压力抽至50～500pa；
S23：通过辉光放电使水精馏填料原料表面羟基化。
优选的，所述步骤S3包括以下步骤：
S31：将变价金属硝酸盐溶于溶液中，并加入甘氨酸和脲，形成混合溶液；
S32：将表面羟基化的水精馏填料原料置于步骤S31中配置的混合溶液中，搅拌溶液，并向溶液中滴加氨水以调节溶液pH值为5.0～6.8，在80～120℃温度下反应4-24小时；
S33：将反应产物在去离子水中进行流洗，并进行干燥，得到具有表面微-纳结构水精馏填料。
优选的，所述脱脂剂为十三烷基醚聚氧代乙烯、曲拉通X-100、α-苯基甲基-ω)-[(1，1，3，3-四甲基丁基)苯氧基]-聚(氧-1，2-亚乙基)、甲基环氧乙烷与单辛苯基醚支链化环氧乙烷的聚合物、10-乙氧基-9，9-二甲基-1-癸胺、二甲苯磺酸钠、聚氧乙烯辛烷基苯酚醚配制成的质量分数为0.1％～20％的水溶液；所述有机溶剂为水溶性有机溶剂或水溶性有机溶剂与水的混合物。
优选的，所述步骤S31中金属硝酸盐为铝硝酸盐、铜硝酸盐、锰硝酸盐、钴硝酸盐、镍硝酸盐和钛硝酸盐中任意一种或多种，所述金属硝酸盐、甘氨酸和脲的质量比分别为：1∶(0～1)∶(1～1.2)。
本发明的有益效果是：本发明公开的具有表面微-纳结构水精馏填料及其制备方法，通过所述制备方法制备的水精馏填料表面具有微-纳结构，该微-纳结构由变价金属氢氧化物的高表面能晶面组成，变价金属氢氧化物中的羟基数量多，可与水形成氢键，从而提高水精馏填料表面与水的亲和力，形成超亲水表面，提高水精馏填料的润湿性，大幅增加填料的有效传质面积，从而提高其分离效率。本发明公开的具有表面微-纳结构水精馏填料，是一种全新的水精馏填料，其分离效率大幅度提升，利用本发明的水精馏填料够降低水精馏装置的填料高度，使水精馏装置小型化，降低投资成本和能耗。
附图说明
图1为针状微-纳结构的FESEM图；
图2为雪花状微-纳结构的FESEM图；
图3为片状微-纳结构的FESEM图；
图4为树丛状微-纳结构的FESEM图；
图5为本发明的具有表面微-纳结构水精馏填料与常规表面氧化水精馏填料的HETP性能对比。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种具有表面微-纳结构的水精馏填料，所述水精馏填料的材料为不锈钢、磷青铜、紫铜、镍、以及其他金属中任意一种；水精馏填料表面的微-纳结构由变价金属氢氧化物结晶形成，所述变价金属氢氧化物为铝氢氧化物、铜氢氧化物、锰氢氧化物、钴氢氧化物、镍氢氧化物和钛氢氧化物中的任意一种或多种，所述微-纳结构为如图1所示的针状微-纳结构、如图2所示的雪花状微-纳结构、如图3所示的片状微-纳结构和如图4所示的树枝状微-纳结构中的任意一种。
一种具有表面微-纳结构水精馏填料的制备方法，该方法适用于散装填料和规整填料，其步骤包括：
S1：利用脱脂剂或有机溶剂对水精馏填料原料进行除油脱脂；
S11：根据水精馏填料原料表面油污的含量选择脱脂剂或有机溶剂，其中脱脂剂为十三烷基醚聚氧代乙烯、曲拉通X-100、α-苯基甲基-ω-[(1，1，3，3-四甲基丁基)苯氧基]-聚(氧-1，2-亚乙基)、甲基环氧乙烷与单辛苯基醚支链化环氧乙烷的聚合物、10-乙氧基-9，9-二甲基-1-癸胺、二甲苯磺酸钠、聚氧乙烯辛烷基苯酚醚配制成的质量分数为0.1％～20％的水溶液；所述有机溶剂为水溶性有机溶剂或水溶性有机溶剂与水的混合物；
S12：将水精馏填料原料浸泡在脱脂剂或有机溶剂溶液中，利用超声波进行清洗；
S13：采用去离子水清洗，除去水精馏填料原料表面的残余脱脂剂或有机溶剂；
S2：利用等离子体清洗装置对水精馏填料原料进行表面羟基化处理；
S21：将清洗后的水精馏填料原料置于等离子体清洗装置内；
S22：将等离子体清洗装置内空气压力抽至50～500pa；
S23：通过辉光放电使水精馏填料原料表面羟基化；
S3：进行水精馏填料原料表面微-纳结构化处理，清洗、干燥得到具有表面具有微-纳结构水精馏填料。
S31：将铝硝酸盐、铜硝酸盐、锰硝酸盐、钴硝酸盐、镍硝酸盐和钛硝酸盐等金属硝酸盐中的任意一种或多种溶于溶液中，并加入甘氨酸和脲，形成混合溶液，其中金属硝酸盐、甘氨酸和脲的质量比分别为：1∶(0～1)∶(1～1.2)；
S32：将表面羟基化的水精馏填料原料置于步骤S31中配置的混合溶液中，搅拌溶液，并向溶液中滴加氨水以调节溶液pH值为5.0～6.8，在80～120℃温度下反应4-24小时；
S33：将反应产物在去离子水中进行流洗，并进行干燥，得到具有表面微-纳结构水精馏填料。
实施例1
将2×2mm的Dixon水精馏填料浸渍于200ml丙酮溶液中，利用超声清洗三次，除去表面附着的油脂，然后再用去离子水清洗三次除去填料表面残余的丙酮；接着将清洗后的Dixon水精馏填料置于等离子体清洗装置内，在空气条件下将等离子体内空气抽至100pa，实现辉光放电，使Dixon水精馏填料表面羟基化；然后将Co(NO3)2.6H2O溶于250ml的溶液中，加入甘氨酸和脲，其中分别调配Co(NO3)2.6H2O、甘氨酸和脲的质量比例分别为1∶0∶1、1∶0.5：1.1以及1∶1∶1.2，并将不同比例下获得的混合溶液分别记为M1、M2和M3；将表面羟基化的Dixon水精馏填料分别置于M1～M3混合溶液中，搅拌充分后向溶液中滴入氨水以调节pH值至5.5～6.8，M1溶液对应的反应在100℃温度下维持4小时，在Dixon水精馏填料表面生成形貌均一的针状微纳结构，M2溶液对应的反应在100℃温度下维持4小时，在Dixon水精馏填料表面生成出形貌均一的锯齿片状微纳结构，M3在120℃温度下维持4小时，将在Dixon水精馏填料表面生成出形貌均一的树丛状微纳结构；最后将表面处理后的Dixon水精馏填料在去离子水中超声、清洗，重复上述过程3-5次。
0.2厘米Dixon水精馏填料采用本发明所述的方法在其表面形成形貌均一的树丛状Co(OH)3微纳结构，装填在内径2厘米、填料装填高度为100厘米的玻璃精馏塔内。采用105Bq/L的氚水进行全回流实验考核，性能测试结果如图5所示，结果表明树丛状Co(OH)3微纳结构表面修饰的Dixon水精馏填料的理论板等板高度(HETP)为0.76～1.0厘米，而常规水精馏填料的表面氧化方法处理的同等规格Dixon环填料在相同实验装置中以相同的实验条件进行氚水全回流实验考核，其HETP为1.9～2.4厘米，通过对比可知本发明所述方法制备的填料的HETP较常规表面氧化水精馏填料大幅降低，填料分离性能提升130％～152％。
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