一种油水分离膜及其制备方法
阅读说明：本技术 一种油水分离膜及其制备方法 (Oil-water separation membrane and preparation method thereof ) 是由 郭雅妮 郭晓航 李铭 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种油水分离膜及其制备方法,属于油水分离膜技术领域。该油水分离膜的制备方法,包括以下步骤：S1、将二氧化硅分散于水中并搅拌,之后加入聚乙烯吡咯烷酮和过硫酸钾继续搅拌,之后超声得到第一混合物；S2、将所述第一混合物与聚乙烯醇水溶液混合得到第二混合物,将所述第二混合物在50-60℃下搅拌；S3、将步骤S2处理后的第二混合物浸涂于载体上,将浸涂后的载体置于交联剂蒸汽中处理得到所述油水分离膜。本发明还包括上述制备方法制得的油水分离膜。该油水分离膜具有较好的稳定性,在不同的盐溶液和pH条件下都具有优异的超疏油性能。(The invention discloses an oil-water separation membrane and a preparation method thereof, and belongs to the technical field of oil-water separation membranes. The preparation method of the oil-water separation membrane comprises the following steps: s1, dispersing silicon dioxide in water and stirring, adding polyvinylpyrrolidone and potassium persulfate to continue stirring, and then carrying out ultrasonic treatment to obtain a first mixture; s2, mixing the first mixture with a polyvinyl alcohol aqueous solution to obtain a second mixture, and stirring the second mixture at 50-60 ℃; s3, dip-coating the second mixture processed in the step S2 on a carrier, and placing the dip-coated carrier in cross-linking agent steam for processing to obtain the oil-water separation membrane. The invention also discloses the oil-water separation membrane prepared by the preparation method. The oil-water separation membrane has good stability and excellent super-oleophobic performance under different salt solutions and pH conditions.)
技术领域
本发明涉及油水分离膜技术领域，具体涉及一种油水分离膜及其制备方法。
背景技术
传统的油水分离方法主要有两种，分别是物理方法和化学方法：物理方法用到的物质包括活性炭、有机黏土、沸石等，这些物质在吸油的同时会吸收水，使分离过程繁琐、效率低；化学方法包括氧化、电化学工艺、光催化处理、臭氧处理和破乳等方法，分离过程中会使用有毒化合物，增加成本的同时也会产生二次污染。过去十几年中，膜分离技术的应用已成为重要的油水分离技术，其优点在于无须添加其他化学品即可工作，具有较低的能量需求，过程简单而易于操作，但制备过程中可能需要有机溶剂造成污染。
在众多的亲水高分子中，聚乙烯醇来源广泛、原料便宜、合成简单，因此在油水分离领域有很大的应用前景。聚乙烯醇是由醋酸乙烯经醇解反应、聚合而制成，是一种白色、粉状、安全、无毒的水溶性高分子聚合物。聚乙烯醇具有良好的成膜性。但单一的聚合物膜用作分离材料时稳定性差，存在不能耐酸、耐碱或者耐盐的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种油水分离膜及其制备方法，解决现有技术中油水分离膜不能耐酸、耐碱或者耐盐的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种油水分离膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、将二氧化硅分散于水中并搅拌，之后加入聚乙烯吡咯烷酮和过硫酸钾继续搅拌，之后超声得到第一混合物；
S2、将所述第一混合物与聚乙烯醇水溶液混合得到第二混合物，将所述第二混合物在50-60℃下搅拌；
S3、将步骤S2处理后的第二混合物浸涂于载体上，将浸涂后的载体置于交联剂蒸汽中处理得到所述油水分离膜。
进一步地，在步骤S1中，所述二氧化硅与所述水的物料比为(0.1～0.9)g:10mL。
进一步地，在步骤S1中，所述二氧化硅、所述聚乙烯吡咯烷酮和所述过硫酸钾的质量比为(0.1～0.9):(0～1):(0～1)。
进一步地，在步骤S1中，所述超声处理的时间为10-20分钟。
进一步地，在步骤S2中，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为8％-10％；所述聚乙烯醇水溶液中的聚乙烯醇与所述二氧化硅的质量比为1:(0.1～0.9)。
进一步地，在步骤S3中，所述交联剂为戊二醛。
进一步地，在步骤S2之前还包括制备聚乙烯醇水溶液：将聚乙烯醇与水混合，在80-90℃下搅拌得到。
进一步地，在步骤S2中，将所述第二混合物在50-60℃下搅拌的时间为2-3h。
进一步地，在步骤S1中，将所述二氧化硅分散于水中并搅拌20-30分钟，之后加入所述聚乙烯吡咯烷酮和所述过硫酸钾继续搅拌20-30分钟。
此外，本发明还提出一种油水分离膜，由上述制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明中聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮、二氧化硅在搅拌和超声作用下相结合，制备出具有良好水下疏油性的油水分离膜，并且聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮在交联剂蒸汽的作用下形成交联网络，提高了油水分离膜的稳定性，在不同的盐溶液和pH条件下都具有优异的超疏油性能。
附图说明
图1是本发明实施例1-5及对比例1制得的油水分离膜的水下油接触角的结果图。
图2是本发明实施例1制得的油水分离膜在不同盐溶液中的水下油接触角的结果图。
图3是本发明实施例1制得的油水分离膜在不同pH条件下的溶液中的水下油接触角的结果图。
具体实施方式
本具体实施方式提供了一种油水分离膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、将二氧化硅分散于水中并搅拌20-30分钟，之后加入聚乙烯吡咯烷酮和过硫酸钾继续搅拌20-30分钟，之后超声处理10-20分钟得到第一混合物；将聚乙烯醇与水混合，在80-90℃下搅拌5-6h得到聚乙烯醇水溶液；所述二氧化硅与所述水的物料比为(0.1～0.9)g:10mL；所述二氧化硅、所述聚乙烯吡咯烷酮和所述过硫酸钾的质量比为(0.1～0.9):(0～1):(0～1)；聚乙烯吡咯烷酮分子量约为4万～5万；所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为8％-10％；所述聚乙烯醇水溶液中的聚乙烯醇与所述二氧化硅的质量比为1:(0.1～0.9)；聚乙烯醇分子量约为8万；
S2、将所述第一混合物与聚乙烯醇水溶液混合得到第二混合物，将所述第二混合物在50-60℃下搅拌2-3h；
S3、将步骤S2处理后的第二混合物浸涂于载体上，将浸涂后的载体置于交联剂戊二醛蒸汽中处理得到所述油水分离膜；所述载体为200目钢丝网。
本具体实施方式还提出一种油水分离膜，由上述制备方法制备得到。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提出一种油水分离膜，由以下步骤制得：
S1、将0.1g二氧化硅分散于10ml去离子水中常温下磁力搅拌20分钟，之后加入0.2g聚乙烯吡咯烷酮和0.2g过硫酸钾继续在常温下磁力搅拌20分钟，之后超声震荡处理10分钟得到第一混合物；将5g聚乙烯醇与50ml水混合，在90℃下磁力搅拌5小时得到聚乙烯醇水溶液；聚乙烯吡咯烷酮分子量约为4万；聚乙烯醇分子量约为8万；
S2、将所述第一混合物与10mL聚乙烯醇水溶液混合磁力搅拌1h得到第二混合物，将所述第二混合物在60℃下水浴搅拌2h；
S3、将步骤S2处理后的第二混合物浸涂于200目钢丝网上，将浸涂后的钢丝网置于交联剂戊二醛蒸汽中处理24h得到所述油水分离膜。
本实施例制得的油水分离膜水下二氯甲烷接触角为150.53°。
实施例2
本实施例提出一种油水分离膜，由以下步骤制得：
S1、将0.3g二氧化硅分散于10ml去离子水中常温下磁力搅拌30分钟，之后加入0.4g聚乙烯吡咯烷酮和0.4g过硫酸钾继续在常温下磁力搅拌20分钟，之后超声震荡处理15分钟得到第一混合物；将5g聚乙烯醇与50ml水混合，在80℃下磁力搅拌6小时得到聚乙烯醇水溶液；聚乙烯吡咯烷酮分子量约为4万；聚乙烯醇分子量约为8万；
S2、将所述第一混合物与10mL聚乙烯醇水溶液混合磁力搅拌1h得到第二混合物，将所述第二混合物在50℃下水浴搅拌3h；
S3、将步骤S2处理后的第二混合物浸涂于200目钢丝网上，将浸涂后的钢丝网置于交联剂戊二醛蒸汽中处理24h得到所述油水分离膜。
本实施例制得的油水分离膜水下二氯甲烷接触角为151.3°。
实施例3
本实施例提出一种油水分离膜，由以下步骤制得：
S1、将0.5g二氧化硅分散于10ml去离子水中常温下磁力搅拌20分钟，之后加入0.6g聚乙烯吡咯烷酮和0.6g过硫酸钾继续在常温下磁力搅拌20分钟，之后超声震荡处理20分钟得到第一混合物；将4g聚乙烯醇与50ml水混合，在90℃下磁力搅拌5小时得到聚乙烯醇水溶液；聚乙烯吡咯烷酮分子量约为5万；聚乙烯醇分子量约为8万；
S2、将所述第一混合物与10mL聚乙烯醇水溶液混合磁力搅拌1h得到第二混合物，将所述第二混合物在60℃下水浴搅拌2h；
S3、将步骤S2处理后的第二混合物浸涂于200目钢丝网上，将浸涂后的钢丝网置于交联剂戊二醛蒸汽中处理24h得到所述油水分离膜。
本实施例制得的油水分离膜水下二氯甲烷接触角为151.3°。
实施例4
本实施例提出一种油水分离膜，由以下步骤制得：
S1、将0.7g二氧化硅分散于10ml去离子水中常温下磁力搅拌20分钟，之后加入0.8g聚乙烯吡咯烷酮和0.8g过硫酸钾继续在常温下磁力搅拌20分钟，之后超声震荡处理10分钟得到第一混合物；将5g聚乙烯醇与50ml水混合，在90℃下磁力搅拌5小时得到聚乙烯醇水溶液；聚乙烯吡咯烷酮分子量约为5万；聚乙烯醇分子量约为8万；
S2、将所述第一混合物与10mL聚乙烯醇水溶液混合磁力搅拌1h得到第二混合物，将所述第二混合物在60℃下水浴搅拌2h；
S3、将步骤S2处理后的第二混合物浸涂于200目钢丝网上，将浸涂后的钢丝网置于交联剂戊二醛蒸汽中处理24h得到所述油水分离膜。
本实施例制得的油水分离膜水下二氯甲烷接触角为150.4°。
实施例5
本实施例提出一种油水分离膜，由以下步骤制得：
S1、将0.9g二氧化硅分散于10ml去离子水中常温下磁力搅拌25分钟，之后加入1g聚乙烯吡咯烷酮和1g过硫酸钾继续在常温下磁力搅拌25分钟，之后超声震荡处理15分钟得到第一混合物；将5g聚乙烯醇与50ml水混合，在85℃下磁力搅拌6小时得到聚乙烯醇水溶液；聚乙烯吡咯烷酮分子量约为5万；聚乙烯醇分子量约为8万；
S2、将所述第一混合物与10mL聚乙烯醇水溶液混合磁力搅拌1h得到第二混合物，将所述第二混合物在60℃下水浴搅拌2h；
S3、将步骤S2处理后的第二混合物浸涂于200目钢丝网上，将浸涂后的钢丝网置于交联剂戊二醛蒸汽中处理24h得到所述油水分离膜。
本实施例制得的油水分离膜水下二氯甲烷接触角为150.3°。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于没有添加二氧化硅，其他步骤和工艺条件均相同。
将实施例1-5制得的油水分离膜进行性能测试：
1.接触角的测试
采用接触角测试仪(DSA-100，德国KRUSS公司)分别测试各种油水分离膜表面水下油的接触角，研究其润湿性能，结果如图1-3所示。
从图1可以看出，实施例1-5制得的油水分离膜水下二氯甲烷接触角都在150°以上，具有超疏油性，对比例1制得的油水分离膜水下二氯甲烷接触角为148.8°。
将实施例1制得的油水分离膜分别放入浓度为1mol/L的NaCl、KCl、Mg(NO3)2、CaCl2、Al(NO3)3盐溶液和水溶液中，检测油水分离膜在不同盐溶液中的水下二氯甲烷接触角，结果如图2所示，从图2可以看出油水分离膜在不同的盐溶液中都表现出超疏油性。
将实施例1制得的油水分离膜分别放入不同pH值的溶液中，检测油水分离膜在不同pH值的溶液中的水下二氯甲烷接触角，结果如图3所示，从图3可以看出油水分离膜在pH为1-11的条件下均表现出超疏油性，在pH为12的溶液中表现出疏油性。
2.油水分离效率的测试
取50mL水(用亚甲基蓝染成蓝色)和50mL油(用油红O染成红色)，将二者的混合物在搅拌下倒入油水分离装置中。由于油水分离膜过滤器对油有隔离作用，记录分离后水的体积，结果如表1所示。
根据公式计算油水分离效率η：
式中：V表示分离后水的体积，V0表示初始油水混合物中的体积。
表1实施例1-5及对比例1油水分离膜的油水分离通量和分离效率
通量/(L/hm<sup>2</sup>)
分离效率(％)
实施例1
7153.5
98.5
实施例2
7178.46
98.2
实施例3
7153.5
98.5
实施例4
6457.39
98.0
实施例5
6946.35
98.5
对比例1
6031.27
87.3
从表1可以看出，实施例1-5制得的油水分离膜具有较高的通量，通量高达7178.46L/hm2，分离效率高达98.5％，对比例1的油水分离效果较差。
其他有益效果
1)本发明提出的制备方法的反应过程中聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮形成交联网络，提高了油水分离膜的稳定性。本发明中聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮、二氧化硅相结合，制备出具有良好水下疏油性的油水分离膜。
2)本发明的油水分离膜采用的聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮均易溶于水，制备全程均不需要有机溶剂，无污染；无机粒子二氧化硅的加入，增加了复合膜表面的粗糙度，使膜的水下疏油性提高；聚乙烯吡咯烷酮的加入，既增加了分离膜的亲水性，使油水分离更加高效，又能与聚乙烯醇形成交联网络提高分离膜的稳定性，且聚乙烯吡咯烷酮可以作为分散剂减少二氧化硅的团聚。
3)本发明制备方法操作简便，工艺简单，成本可控且较低，本发明相对于其它方法，本发明具有无环境污染问题，对环境比较友好，产品综合性能优异，因此在油水分离领域具有潜在的应用前景。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
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