改性不銹鋼網油水分離膜的制備與表征

李輩輩

（上海亞新建設工程有限公司，上海 200436）

改性不銹鋼網油水分離膜的制備與表征

李輩輩

（上海亞新建設工程有限公司，上海 200436）

本文以不銹鋼網作為膜基材料，利用一步浸涂法將改性的二氧化硅納米顆粒負載到不銹鋼網表面，從而制備出具有高效油水分離效果的油水分離膜。研究結果表明，經過改性的二氧化硅納米顆粒具有超疏水性能，使經過改性涂層后的不銹鋼網疏水性得到很大提高，達到超親油性能。油品能夠在自身重力作用下透過改性涂層后的不銹鋼網，而水被截留在網篩上面，達到油水分離的效果。

油水分離膜；不銹鋼網；疏水性；親油性

1 試驗

1.1 試驗儀器和材料

試驗儀器主要有：磁力攪拌器；不銹鋼網片；烘箱等。

試驗材料有：無水乙醇；Si（OC2H5）4溶液；CH3Cl3Si溶液；丙酮；去離子水；聚苯乙烯；四氫呋喃等。

1.2 改性不銹鋼網的制備

利用磁力攪拌器，在常溫下向50 mL的無水乙醇中加入5 mLSi（OC2H5）4和5 mLNH3·H2O，繼續攪拌1 h；之后將該混合溶液靜置老化12 h；然后在磁力攪拌作用下，向該溶液中加入CH3Cl3Si（0.3 mL），攪拌12 h；最后，用C2H6O反復將混合溶液進行離心清洗3次，將離心沉淀物進行收集，真空干燥12 h（60℃下），最終得到SiO2的改性顆粒物[1]。

將孔徑不同的不銹鋼網篩剪成長寬約5 cm大小的網片，隨即在超聲條件下將不銹鋼網片用丙酮和去離子水依次清洗30 min；在60℃的烘箱中將清洗后的網片烘干至恒重。在室溫下，將聚苯乙烯（0.1 g）完全溶解到四氫呋喃（5 mL）中，利用超聲波作用，將0.1 g制備好的SiO2的改性顆粒物超聲分散到該混合溶液中；然后，在上述混合溶液中將網片浸潤并保持數分鐘，在烘箱中（75℃下）烘干2 h；最終利用浸涂法，制得改性二氧化硅納米顆粒負載的不銹鋼網（具有高度疏水和超親油性能）。

2 改性不銹鋼網的性能表征

2.1 改性不銹鋼網的表面特性

決定物質表面超疏水特性的因素有很多，其中一個關鍵因素就是表面粗糙度。在物質表面張力一定的情況下，人們可以通過增加物質表面的粗糙度來增強物質表面的疏水性能。通過掃描電子顯微鏡（SEM）掃描分析，筆者發現具有不同孔徑（180 μm、150 μm、75 μm和50 μm）的原始不銹鋼網都具有非常光滑的表面，而經過改性SiO2納米顆粒負載涂層后的不銹鋼網，其表面都變得非常粗糙，這一現象證明了改性SiO2納米顆粒在不銹鋼網上的成功負載。另外，負載到網篩上的SiO2納米顆粒的質量隨著網篩孔徑的減小而不斷增加，改性SiO2納米顆粒在孔徑分別為180 μm、150 μm、75 μm和50 μm網篩上的負載量分別為0.04 g、0.06 g、0.10 g和0.13 g。這說明網篩孔徑越小，越容易被SiO2納米顆粒負載，并且顆粒負載得更牢固。

利用X射線光電子能譜（XPS）對材料進行進一步分析，筆者證實了改性涂層不銹鋼網表面的化學組成成分。未涂層改性不銹鋼表面沒有硅元素峰出現，而改性涂層后的不銹鋼網表面出現了硅元素峰（Si 2p），其結合能為100～200 eV，這證明了改性二氧化硅納米顆粒在不銹鋼網表面的成功負載，也證實了SEM的測試分析。

此外，研究發現硅元素分別在101.1和102.6 eV處形成了Si-O-C和Si-O-Si鍵，Si-O-C鍵的生成證明了硅元素與不銹鋼網的結合，Si-O-Si鍵的生成是由于自身的縮合反應[2]。未涂層改性不銹鋼網表面的C、O元素含量明顯低于涂層改性后不銹鋼網的C、O元素含量，這都歸功于甲基三氯硅烷改性SiO2納米顆粒的負載。

C在不銹鋼網上主要存在兩種化學鍵官能團形態，而這些官能團都是疏水性官能團，其中化學鍵C=O的結合能為282.9 eV，化學鍵C=C的結合能為284.6 eV。綜上可知，Si元素在改性后不銹鋼網上的出現，以及C、O元素含量的增加，都證明改性SiO2納米顆粒已經成功負載到不銹鋼網表面。

2.2 改性不銹鋼網的疏水特性及油水分離效果

孔徑不同的不銹鋼網在改性涂層前后對水的接觸角發生了變化，原始未改性不銹鋼網對水的接觸角要遠小于改性后的不銹鋼網對水的接觸角。改性涂層后的不銹鋼網（孔徑分別為180 μm、150 μm、75 μm、50 μm）對水的接觸角分別由原來的86.8°、94.7°、99.9°、100.1°升高到100.6°、117.9°、123.2°、135.3°，其中孔徑為50 μm的改性不銹鋼網對水的接觸角增加最大，增加了35.2°，這說明SiO2納米顆粒的負載可以顯著提高不銹鋼網的疏水性能。

改性后不銹鋼網篩對水的接觸角隨著網篩孔徑的減小而逐漸增大，疏水性也隨之增強，這說明適當增加SiO2納米顆粒的負載量有利于提高不銹鋼網的疏水性能，并且在負載量增加的適當范圍內，隨著SiO2顆粒負載量的增加，不銹鋼網的疏水性能隨之增強。

為了進一步證實改性二氧化硅納米顆粒的作用，筆者對改性后二氧化硅納米顆粒的疏水性進行測試。測試發現，改性SiO2納米顆粒達到了超疏水性能（150.5°，大于150°即為超疏水），因此SiO2的這一性能也增強了改性不銹鋼網的疏水性。總之，改性涂層后不銹鋼網的疏水性能主要歸功于改性SiO2納米顆粒在不銹鋼網表面的涂層：一是增加了不銹鋼網的表面粗糙度，二是改性SiO2納米顆粒本身的超疏水性及負載量都增強了不銹鋼網的疏水性能。

改性不銹鋼網對水的接觸角增大，這是因為接觸角的形成源于網篩表面的粗糙度和水珠下面的空氣層，這兩者的理想混合能夠促進接觸角的形成，水滴在改性涂層后的不銹鋼網表面呈球狀，且在其表面保持不滲漏，從而使其接觸角變大；但水滴在未改性涂層的不銹鋼網表面呈現浸潤狀態，這是由于改性SiO2納米顆粒的負載使得不銹鋼網表面變得粗糙，從而增大了改性不銹鋼網的疏水性能，致使改性不銹鋼網對水的接觸角增大。與此同時，當將油品滴到未涂層改性不銹鋼網和改性后不銹鋼網表面時，油都可以迅速透過網篩，這表明改性前后不銹鋼網均具有親油性能。

其中，50 μm的改性不銹鋼網篩對水的接觸角最大，因為SiO2納米顆粒在孔徑大的網篩上負載量較少，且網篩結構比較光滑。水滴不能在孔徑大的網篩表面保持不滲漏，所以，可以選擇50 μm的改性不銹鋼網作為后續的測試樣品。

筆者做了進一步的試驗，研究表征涂層改性后的不銹鋼網對油品的優先選擇性和對油水混合液的油水分離效果，如圖1所示。首先，將改性涂層后的不銹鋼網固定在大的玻璃瓶和三角瓶之間（見圖1（a）、圖1（b））；其次，將油水混合液（200 mL）倒在網篩表面，此時發現油品（紅色）能夠迅速透過網篩而流入下面的三角瓶中，而水（藍色）被阻擋在網篩上面而不能流入三角瓶中；從圖1（c）可以看出，油滴都透過改性后的網篩而流入三角瓶中，水均保持在網篩表面，沒有流入三角瓶，最后水和油分別得到回收利用。整個油水分離過程中，油都是通過自身的重力作用迅速透過改性后的不銹鋼網而達到油水分離的效果，沒有借助任何外力作用。

圖1 改性涂層不銹鋼網的油水分離試驗研究

改性后不銹鋼網篩的高度疏水性能和超親油性能使得油水分離達到良好的效果，從而證實了其對油品的優先選擇性。這說明在此條件下，不銹鋼網經改性SiO2納米顆粒涂層后作為油水分離膜是簡易可行的。

3 結論

本文利用簡便的浸涂法制備了具有高度疏水性和超親油性的改性不銹鋼網油水分離膜，選用的材料也是非常易制備的改性SiO2納米顆粒。二氧化硅納米顆粒經過甲基三氯硅烷的改性后，其疏水性增強，對水的接觸角達到150.5°，達到超疏水性能。改性涂層后的不銹鋼網由于SiO2納米顆粒在其表面的負載，表面疏水性得到增強，親油性能也隨之增強。改性不銹鋼網油水分離膜對水的接觸角最大達到135.3°，比原始不銹鋼網對水的接觸角增加了35.2°，具有高度疏水性；同時，不同孔徑的改性不銹鋼網均達到超親油狀態，對油接觸角均為0°。

油水分離試驗中，在自身的重力作用下，油水混合液中的油品能迅速透過改性不銹鋼網，而水被阻隔在網外，這充分展示了改性不銹鋼網良好的油水分離效果。因此，本試驗研究中制備的改性不銹鋼網油水分離膜在大型油水分離應用中具有很大潛力。

1 魏淑偉.水體中油污染現狀及測定方法研究[J].棗莊學院學報，2011，28（2）：92-94.

2 陳建秋.中國近海石油污染現狀、影響和防治[J].節能與環保，2002，30（3）：15-17.

Preparation and Characterization of Oil - Water Separation Membrane - Modified Stainless Steel Mesh

Li Beibei
(Shanghai Yaxin Construction Engineering Co., Ltd., Shanghai 200436, China)

In this paper, the modified silica nanoparticles were loaded onto the surface of stainless steel mesh by one-step dip coating method using stainless steel mesh as the film-based material, and the oil-water separation membrane with high oil-water separation effect was prepared.The results show that the modified silica nanoparticles have superhydrophobic properties, so that the hydrophobicity of stainless steel mesh after modified coating is greatly improved to achieve super -oil performance.Oil can be under its own gravity through the modified coating after the stainless steel mesh, and water was trapped in the screen above the oil and water separation effect.

oil and water separation membrane; stainless steel net; hydrophobic; lipophilic

TQ051.893

A

1008-9500(2017)10-0008-03

2017-08-22

李輩輩（1988-），女，山東濱州人，博士研究生，工程師，從事環境污染場地調查、環境污染場地風險評估及環境污染場地修復工作。