陶瓷疏水膜的制備及在廢潤滑油中脫水的應用

陳名祥

（江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司，宜興214221）

0 引言

多孔無機膜表面改性的最常用方法是表面接枝疏水技術，因其工序操作方便、工藝流程短且機械化程度高，可控、可追溯，應用于工業化投資成本較低等特點，被廣泛用于無機膜表面改性。接枝疏水技術可根據不同工況與基膜本身表面能接枝不同基團，使其改性，達到高疏水的改性膜，可應用于有機溶劑過濾、膜蒸餾、氣體分離等不同工藝過程來調節膜表面性能。

本文在表面接枝技術方法基礎上通過對氧化鋯陶瓷基膜表面進行疏水性的三甲基氯硅烷接枝，分析對比了接枝改性前后氧化鋯陶瓷膜隨不同濃度與改性時間變化導致疏水性接觸角與滲透性差異，同步分析了接枝改性前后氧化鋯陶瓷膜的表面物理化學性質，分析了接枝疏水制備工藝流程，通過FTIR、接觸角對改性氧化鋯膜進行表征，以含水潤滑油為原料液，考察表面疏水改性對油液滲透通量和截留性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

氧化鋯無機陶瓷膜(平均孔徑50 nm)，19通道外徑30 mm，江蘇省宜興非金屬化工機械廠有限公司自制；三甲基氯硅烷、Aldrich、氫氧化鈉、氯仿、無水乙醇、鹽酸；廢潤滑油，上海利科公司；去離子水：電導率小8μS/cm；油水分離設備，江蘇宜興非金屬化工機械廠有限公司自制。

1.2 疏水改性實驗方法和步驟

（1）配制有機前驅體三甲基氯硅烷溶于氯仿溶劑中的溶液，濃度為0.02 mol/L，常溫攪拌分散12 h，用鹽酸調節PH為至4-4.5。

（2）疏水膜制備前對陶瓷氧化鋯膜進行15 min的濃度在3 mol/L氫氧化鈉溶液中浸泡預處理，用去離子水潤洗3遍，后在150℃溫度下強制干燥2 h，降至常溫備用。

（3）將預處理的陶瓷氧化鋯膜完全浸置于以上各濃度的溶液里進行改性，改性時間分別為6 h、12 h、24 h、48 h、72 h，需完全浸沒陶瓷氧化鋯膜。

（4）將改性后的19孔陶瓷氧化鋯膜用去離子水進行沖洗3～5次，直到表面有機溶劑完全被清洗干凈。

（5）將以上改性后的陶瓷氧化鋯膜進行100℃熱處理，干燥時間72 h，自然冷卻至室溫。

1.3 表征方法見表1

表1 改性前后陶瓷氧化鋯膜表征方法與設備原理

2 結果與分析

2.1 疏水氧化鋯膜接觸角

選材氧化鋯陶瓷膜作為基膜進行改性，是基于其本身具有疏松的多孔結構和高親水性，加之其較高的表面能，通過低表面能的三甲基氯硅烷改性后，加強了基膜微孔結構的疏水效果，水滴能夠停留在疏水膜表面，形成“荷葉效應”，使得接觸角高達140°以上（見圖1），由此可見基膜的親水性已轉變為疏水性膜層，其表面性質也有較大改善。

圖1 疏水氧化鋯膜表面的水接觸角

2.2 氧化鋯陶瓷膜改性前后的SEM照片見圖2

圖2 氧化鋯陶瓷膜改性前后的SEM照片

從圖2中可以看出，改性前后膜表面的孔的結構大小基本沒有發生變小，還是多孔膜結構。

2.3 氧化鋯陶瓷膜表面改性前后的熱重分析見圖3

由圖3可見，改性前的氧化鋁陶瓷膜失重相對穩定，在1 100℃內基本無質量損失，對比經過硅烷化改性的陶瓷膜在150℃左右因水分揮發發生了質量損失，且在350～500℃間發生明顯失重，對比說明改性后的陶瓷膜表面形成的硅烷偶聯劑分解放熱引起的質量損失。

2.4 改性時間與接觸角度關系見表2

表2 改性時間與接觸角度關系

由表2可見，隨著時間延長，接觸角呈增加趨勢，浸漬24小時后，接觸角趨近于最大且隨著改性時間延長，接觸角并未明顯增加，呈平穩態勢，說明改性時間最佳為24小時。

2.5 氧化鋯膜改性前后的表面化學性質

對疏水改性的氧化鋯膜表面進行了紅外光譜分析見圖4。

圖4 氧化鋯膜改性前（a），氧化鋁鋯改性后（b）

圖4可見，紅外光譜儀分析結果，改性后氧化鋯膜表面是三甲基氯硅烷的特征峰，證明已拉接枝上。

3 氧化鋯陶瓷疏水改性膜在廢潤滑油回收利用

實驗用上海利科公司的廢潤滑油，考察了氧化鋯膜改性前后的通量變化，用自制的油水分離設備，自制的19孔平均孔徑50 nm的氧化鋯膜改性前和改性后的各一支做對比實驗，實驗條件，跨膜壓差0.1 MPa、膜面流速1.3 m/s，改性前膜通量為50 L/m2·h，改性后膜的滲透通量可以穩定在180 L/m2·h，獲得的水截留率均在98%以上，可以回收廢潤滑油。

4 結論

采用三甲基氯硅烷作改性劑，對平均孔徑50 nm氧化鋯陶瓷膜進行疏水改性，配制0.02 mol/L的三甲基氯硅烷溶液，用鹽酸調節溶液的PH值為4，浸漬24 h，150℃烘干2 h，得到接觸角大于140°的高疏水改性膜。用TGA、SEM、FTIR(紅外)來表征疏水改性膜，并考察了疏水改性膜在廢潤滑油中脫水的應用。實驗結果表明，跨膜壓差0.1 MPa、膜面流速1.3 m/s，滲透通量可以穩定在180 L/m2·h，獲得的水截留率均在98%以上，可以用作回收廢潤滑油。