一种高通量超疏水木材、其制备方法及其应用
阅读说明：本技术 一种高通量超疏水木材、其制备方法及其应用 (High-flux super-hydrophobic wood, preparation method and application thereof ) 是由 吴文剑 陈卓瀚 苏晓竞 李坤泉 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及超疏水材料领域,特别是涉及一种高通量超疏水木材的制备方法,包括如下步骤：首先,将木材置于氢氧化钠与亚硫酸钠混合溶液中80-100℃加热6-12h以去除部分半纤维素和木质素,再将其置于过氧化氢溶液中80-100℃加热0.5-2.5h以进一步除去木质素；然后,将木材冰冻并进行冷冻干燥4-10h,再将其浸泡于2-20wt％的聚二甲基硅氧烷溶液中,取出于60～100℃固化3-6h,即制得高通量超疏水木材；本发明所制备的超疏水木材表面水滴接触角可达156°,并且拥有垂直排列和大孔径的多孔结构,可在重力驱动下快速进行高通量油水分离,分离通量可达7165L·m～(-2)·h～(-1)；相对于传统油水分离材料,该木材拥有性能优良、制备简易、天然可再生、应用耗能少等特点。(The invention relates to the field of super-hydrophobic materials, in particular to a preparation method of high-flux super-hydrophobic wood, which comprises the following steps: firstly, putting wood into a mixed solution of sodium hydroxide and sodium sulfite, heating for 6-12h at 80-100 ℃ to remove partial hemicellulose and lignin, and then putting the wood into a hydrogen peroxide solution, heating for 0.5-2.5h at 80-100 ℃ to further remove the lignin; then, freezing and freeze-drying the wood for 4-10h, soaking the wood in 2-20 wt% of polydimethylsiloxane solution, taking out the wood and curing the wood for 3-6h at the temperature of 60-100 ℃ to obtain the high-flux super-hydrophobic wood; the contact angle of the water drops on the surface of the super-hydrophobic wood prepared by the method can reach 156 degrees, and the super-hydrophobic wood has vertical arrangement and macroporesThe porous structure of the diameter can quickly carry out high-flux oil-water separation under the drive of gravity, and the separation flux can reach 7165 L.m ‑2 ·h ‑1 (ii) a Compared with the traditional oil-water separation material, the wood has the characteristics of excellent performance, simple preparation, natural and renewable property, low application energy consumption and the like.)
技术领域
本发明涉及超疏水材料领域，特别是涉及一种高通量超疏水木材、其制备方法及其应用。
背景技术
含油废水来源广泛，排放量大，对水的生态环境造成严重危害。为了确保水资源环境的安全和社会的可持续发展，高效、低成本的油水分离技术是当前的研究热点。目前含油废水处理工艺大多采用重力沉淀、离心分离、空气浮选、化学絮凝等方法，但其存在工艺复杂繁琐、设备大型、投资和运行成本高、能耗高、效率低、容易造成二次污染等缺点。
超疏水材料是受自然界中荷叶表面、玫瑰花瓣、昆虫翅膀等现象的启发而设计的一种材料，其水滴静态接触角大于150°。该材料独特的浸润性在油水分离领域存在重要的研究价值及应用前景，已受到人们的大量关注。然而，目前大多报道的用于油水分离的超疏水材料存在制备过程繁琐、需外加驱动力、分离效率低、成本高、能耗高、材料不可再生、易造成二次污染等问题。因此，开发一种材料易获取、可再生、制备过程简易、高效率、低能耗、重力驱动的高通量超疏水木材具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基底可再生和降解、高效率、低能耗的高通量超疏水木材。
本发明还提供一种制备过程简易、应用操作简易的高通量超疏水木材的制备方法及其应用。
本发明采用如下技术方案：
一种高通量超疏水木材的制备方法，包括如下步骤：
首先，将木材置于氢氧化钠与亚硫酸钠混合溶液中80-100℃加热6-12h以去除部分半纤维素和木质素，再将其置于过氧化氢溶液中80-100℃加热0.5-2.5h以进一步除去木质素；
然后，将木材冰冻并进行冷冻干燥4-10h，再将其浸泡于2-20wt％的聚二甲基硅氧烷溶液中，取出于60～100℃固化3-6h，即制得高通量超疏水木材。
对上述技术方案的进一步改进为，所述氢氧化钠与亚硫酸钠混合溶液中的氢氧化钠、亚硫酸钠的比例为6:1-1:1。
对上述技术方案的进一步改进为，所述氢氧化钠的摩尔浓度为10-30mol/L。
对上述技术方案的进一步改进为，所述过氧化氢的摩尔浓度为5-25mol/L。
对上述技术方案的进一步改进为，所述聚二甲基硅氧烷溶液由主体和固化剂组成。
对上述技术方案的进一步改进为，所述聚二甲基硅氧烷溶液的制备方法包括如下步骤：将主体与固化剂组分以10：1的比例混合，并在溶剂中溶解。
对上述技术方案的进一步改进为，所述主体为双键封端的聚二甲基硅氧烷；所述固化剂为多官能度含硅氢键的聚二甲基硅氧烷；所述溶剂为四氢呋喃、正己烷、环己烷、甲苯、丙酮溶剂中的一种或多种；所述溶剂的质量分数为2-20wt％。
对上述技术方案的进一步改进为，所述木材为天然巴沙木材，其密度为120-210kg/m3，其孔径大小为10-150nm。
一种高通量超疏水木材，所述高通量超疏水木材使用上述的制备方法制得。
一种高通量超疏水木材的应用，所述高通量超疏水木材应用于油水分离领域；在油水分离时，所述高通量超疏水木材在重力驱动下进行；所述油水分离中的分离通量为7165L·m-2·h-1。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的制备过程简易，所需实验仪器设备要求低、成本低廉，木材为天然可再生资源、应用操作简易、性能优良等特点。
(2)本发明制备的高通量超疏水木材拥有垂直排列和大孔径多孔结构、稳定的超疏水性能，表面水滴接触角可达156°，可在重力驱动下进行高通量油水分离，分离速度快且分离效率高，分离通量高达7165L·m-2·h-1。
附图说明
图1为本发明的实施例1制备的高通量超疏水木材与原始木材的红外谱图；
图2为本发明的实施例1制备前原始木材的扫描电镜图及接触角图；
图3为本发明的实施例1制备的高通量超疏水木材的扫描电镜图及接触角图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的实施方式不限于此。
实施例1
首先，将密度为120kg/m3的木材放入25mol/L的氢氧化钠和5mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为5:1，再置于油浴锅中100℃加热8h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入25mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中100℃加热0.5h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理6h；最后，以四氢呋喃为溶剂，配制10wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于100℃固化3h，即制得高通量超疏水木材。
图1为本实施例1制备的高通量超疏水木材和原始木材的红外谱图。与原始木材相比，超疏水木材在1505cm-1到1596cm-1处的C＝C伸缩振动(木质素芳环)峰强降低，在1730cm-1处的非共轭C＝O伸缩振动(半纤维素或木质素)峰消失，这表明木材在经过氢氧化钠、亚硫酸钠和过氧化氢的处理后，有效脱除了大部分的半纤维素和脱木质素。此外，超疏水木材在798cm-1处出现了新的Si-C的伸缩振动峰，这说明了聚二甲基硅氧烷成功对木材疏水改性。
为了评价木材的超疏水性，使用接触角测量仪对木材进行接触角测量，可得接触角为156°，所得结果列于表1。
为了评价木材的油水分离性能，自组装简易油水分离装置进行测试。该装置由两根两端开口的玻璃管、超疏水木材、夹子和烧杯组成。其中，超疏水木材作为滤膜，通过夹子被固定在两根玻璃管中间。取10mL二氯甲烷和10mL蒸馏水进行混合，配制成简单的油水混合物，其中油为甲苯、二氯甲烷、正己烷、三氯甲烷、二甲苯、环己烷、石油醚中的任意一种。将该混合物倒入分离装置上方的玻璃管中，由于木材的超疏水性和超亲油性，有机溶剂可迅速通过超疏水木材，被收集到下方玻璃管下的小烧杯中，而水被阻挡在超疏水木材的上方，成功实现油水混合物的分离。结果表明，所制备超疏水木材可在重力驱动下快速分离油水混合物，分离通量达7165L·m-2·h-1，所得结果列于表1。由图2及图3可知，木材本身具有垂直孔径的多孔结构，在经过脱半纤维素和木质素后，孔数增多且孔径增大，这使得超疏水木材在油水分离中拥有高分离通量，在重力作用下快速实现油水分离，其中图2及图3中，图像放大倍数为100倍，右上角插图为水接触角图片。
实施例2
首先，将密度为140kg/m3的木材放入20mol/L的氢氧化钠和5mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为4:1，再置于油浴锅中100℃加热7h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入20mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中100℃加热1h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理5h；最后，以丙酮为溶剂，配制5wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于90℃固化3h，即制得高通量超疏水木材。
使用接触角测量仪对超疏水木材进行接触角测量，可得接触角为154°，按实施例1的油水分离装置进行实验。发现本实验例制得的超疏水木材可在重力驱动下快速分离正己烷/水混合物，且分离通量达6948L·m-2·h-1。所得结果列于表1。
实施例3
首先，将密度为150kg/m3的木材放入10mol/L的氢氧化钠和10mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为1:1，再置于油浴锅中100℃加热10h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入15mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中100℃加热1.5h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理8h；最后，以甲苯为溶剂，配制2wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于80℃固化6h，即制得高通量超疏水木材。
使用接触角测量仪对超疏水木材进行接触角测量，可得接触角为155°，按实施例1的油水分离装置进行实验。发现本实验例制得的超疏水木材可在重力驱动下快速分离氯仿/水混合物，且分离通量可达6396L·m-2·h-1。所得结果列于表1。
实施例4
首先，将密度为160kg/m3的木材放入30mol/L的氢氧化钠和10mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为3:1，再置于油浴锅中100℃加热11h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入10mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中100℃加热2h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理7h；最后，以环己烷为溶剂，配制20wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于60℃固化5h，即制得高通量超疏水木材。
使用接触角测量仪对超疏水木材进行接触角测量，可得接触角为154°，按实施例1的油水分离装置进行实验。发现本实验例制得的超疏水木材可在重力驱动下快速分离二甲苯/水混合物，分离通量可达6627L·m-2·h-1。所得结果列于表1。
实施例5
首先，将密度为170kg/m3的木材放入20mol/L的氢氧化钠和10mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为2:1再置于油浴锅中100℃加热12h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入25mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中100℃加热2h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理8h；最后，以四氢呋喃为溶剂，配制15wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于70℃固化6h，即制得高通量超疏水木材。
使用接触角测量仪对超疏水木材进行接触角测量，可得接触角为154°，按实施例1的油水分离装置进行实验。发现本实验例制得的超疏水木材可在重力驱动下快速分离环己烷/水混合物，且分离通量可达6551L·m-2·h-1。所得结果列于表1。
实施例6
首先，将密度为210kg/m3的木材放入30mol/L的氢氧化钠和5mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为6:1再置于油浴锅中100℃加热8h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入25mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中100℃加热1.5h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理6h；最后，以正己烷为溶剂，配制10wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于100℃固化4h，即制得高通量超疏水木材。
使用接触角测量仪对超疏水木材进行接触角测量，可得接触角为153°，按实施例1的油水分离装置进行实验。发现本实验例制得的超疏水木材可在重力驱动下快速分离甲苯/水混合物，且分离通量达6744L·m-2·h-1。所得结果列于表1。
对比例1
首先，将密度为120kg/m3的木材放入25mol/L的氢氧化钠和5mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为5:1，再置于油浴锅中80℃加热8h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入25mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中80℃加热0.5h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理6h；最后，以四氢呋喃为溶剂，配制10wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于100℃固化3h，即制得高通量超疏水木材。
使用接触角测量仪对超疏水木材进行接触角测量，可得接触角为152°，按实施例1的油水分离装置进行实验。发现本实验例制得的超疏水木材可在重力驱动下快速分离二氯甲烷/水混合物，且分离通量达5732L·m-2·h-1。所得结果列于表1。
对比例2
首先，将密度为140kg/m3的木材放入20mol/L的氢氧化钠和5mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为4:1再置于油浴锅中60℃加热7h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入20mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中60℃加热1h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理5h；最后，以丙酮为溶剂，配制5wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于90℃固化3h，即制得高通量超疏水木材。
使用接触角测量仪对超疏水木材进行接触角测量，可得接触角为150°，按实施例1的油水分离装置进行实验。发现本实验例制得的超疏水木材可在重力驱动下快速分离正己烷/水混合物，且分离通量达4777L·m-2·h-1。所得结果列于表1。
对比例3
首先，将密度为150kg/m3的木材放入5mol/L的氢氧化钠和15mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为1:3再置于油浴锅中100℃加热10h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入15mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中100℃加热1.5h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理8h；最后，以甲苯为溶剂，配制2wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于80℃固化6h，即制得高通量超疏水木材。
使用接触角测量仪对超疏水木材进行接触角测量，可得接触角为151°，按实施例1的油水分离装置进行实验。发现本实验例制得的超疏水木材可在重力驱动下快速分离氯仿/水混合物，且分离通量可达4984L·m-2·h-1。所得结果列于表1。
对比例4
首先，将密度为160kg/m3的木材放入30mol/L的氢氧化钠和3mol/L的亚硫酸钠混合溶液中，即氢氧化钠与亚硫酸钠的质量比为10:1，再置于油浴锅中100℃加热11h，取出用清水清洗三遍；随后，将木材放入10mol/L的过氧化氢的溶液中，再置于油浴锅中100℃加热2h，取出用清水清洗三遍，然后将木材放入冰箱冰冻10h，再置于冷冻干燥箱处理7h；最后，以环己烷为溶剂，配制20wt％的聚二甲基硅氧烷溶液，再置入上述木材，取出于60℃固化5h，即制得高通量超疏水木材。
使用接触角测量仪对超疏水木材进行接触角测量，可得接触角为152°，按实施例1的油水分离装置进行实验。发现本实验例制得的超疏水木材可在重力驱动下快速分离二甲苯/水混合物，分离通量可达5332L·m-2·h-1。所得结果列于表1。
表1为本发明实施例的超疏水木材的水接触角及油水分离通量。
接触角/°
分离通量/m<sup>2</sup>·h
油类溶剂
实施例1
156
7165
二氯甲烷
实施例2
155
6948
正己烷
实施例3
154
6396
氯仿
实施例4
155
6627
二甲苯
实施例5
154
6551
环己烷
实施例6
156
6744
甲苯
对比例1
152
5732
二氯甲烷
对比例2
150
4777
正己烷
对比例3
151
4984
氯仿
对比例4
152
5332
二甲苯
从表1的实施例接触角数据和分离通量数据可以看出，实施例1-6中，获得的高通量超疏水木材具有较好的超疏水性能和超高的分离通量，可快速进行油水分离。
与实例1、2、3、4对比，对比例1、2、3、4的接触角稍微下降，但仍具有较好的超疏水性能，而其油水分离通量都出现了较大幅度下降，说明木材处理条件发生改变时，可对木材的分离通量造成较大影响。因此，本发明的超疏水木材具有优良的超疏水性能和超高的分离通量，可在重力驱动下快速进行油水分离。
性能测试
分离通量计算：分离通量J由以下公式进行计算：
其中V为分离液体的体积，A为分离有效面积，Δt为分离液体所需时间。
接触角测试：使用东莞市晟鼎精密仪器有限公司SDC-200S接触角测量仪对木材进行接触角测量，测量水滴为5μL，每个样品测量5次，取平均值。
以上实施例仅为本发明的几个具体制备方法和详细数据，对本领域的普通技术人员而言，可作出若干修改或替换，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。