氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的制備及其油水分離應用

楊娜，洪玉，趙嘉雨，愛堅·多爾昆，巫采芩，楊少林

（北方民族大學材料科學與工程學院，寧夏銀川750021）

由于工業含油廢水的不斷增加和石油泄漏的頻繁發生，嚴重威脅生態環境，因而油水分離技術的研究越來越受到人們的重視[1-2]。膜過濾技術由于其成本低，操作簡單，高效率與生態友好性被認為是處理含油水廢水最合適的方法。一種理想的過濾膜應具有對油水相應選擇性的特殊潤濕性，以及優越的柔韌性，使其能夠承受身體的沖擊[3]。

相比于親油疏水膜，親水疏油膜由于其抗污性和可分離常見的輕油水混合物，因而受到更廣泛的應用[4]。目前，人們通過電沉積、水熱反應、真空過濾和噴涂等方法在多孔基質上涂覆金屬氧化物、聚合物、氧化石墨烯和復合材料制備出了多種水下超疏油膜[5-7]。然而，這些方法大多存在工藝復雜、使用有毒試劑和特殊設備等問題。

本文擬制備氧化石墨烯-棉纖維過濾膜，表征其材料形貌，研究其油水分離效率、循環利用性等。

1 實驗方法

1.1 氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的制備

將0.3 g木棉纖維平鋪于Ф60 mm的濾芯上，并將其夾在濾杯和濾芯之間。倒入50 mL的3 mg/mL的氧化石墨抽濾，干燥后便得到氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜。

1.2 材料表征

用場發射掃描電子顯微鏡（JSM-6700F，JEOL）對材料形貌進行表征分析。用光學接觸角測量儀（中國POWEREACH JC200D2）測量接觸角。

1.3 油水分離

油水分離裝置是用夾子將過濾膜夾在兩個石英管之間固定而成的。先用水預濕過濾膜，再將質量比為1∶1的水/油混合物慢慢倒入上管，燒杯在下方接濾出的水。分離效率根據公式η=m2/m1×100%計算，其中m1，m2為油或水在混合前和分離后的重量。

2 結果與討論

圖1a展示了氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜，可以看出氧化石墨烯涂敷于木棉表面，干燥后形成致密的過濾膜。圖1b所示是空氣中空白木棉表面的水接觸角高達137°且近似球形，體現了空白木棉本身具有的疏水性。圖1c顯示出氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的水接觸角為零，說明氧化石墨烯涂層賦予過濾膜超強的親水性。圖1d顯示水下二氯甲烷在氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的接觸角，120.5°的水下油接觸角體現了過濾膜在水下的良好疏油性。

圖1 a.木棉過濾膜；b.空氣中水與木棉表面接觸；c.木棉過濾膜表面的水滴；d.木棉過濾膜表面的油滴

圖2展示了空白木棉和氧化石墨烯-木棉纖維掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。圖2a顯示空白木棉纖維呈現出不規則的帶條狀、表面光滑的結構；從圖2b可以明顯看出氧化石墨烯沉積于木棉纖維表面，表面的孔洞將有利于水的選擇性通過。

圖2 a.空白木棉和b.氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的SEM圖像

由于氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜具有親水-水下疏油性質，因此有望應用于油水混合物的分離。如圖3所示，將過濾膜夾在兩個石英管之間，當煤油和水的混合物倒入上管后，幾秒內水全部流過濾膜，分離出的水中看不到一絲紅色的油，而煤油卻留在了濾膜上，說明過濾膜較好的油水分離效果。

圖3 a.油水未分離前；b.油水分離中；c.油水分離后的照片

為了驗證氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的油水分離能力，我們測試了苯、正己烷、石油醚、正庚烷和煤油等油與水混合物的分離效率。如圖4a所示，分離膜所有的油水混合物都表現出97%以上的分離效率。為了驗證氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的可循環利用性，我們將煤油/水混合物的油水分離實驗重復了十幾次，每次分離后僅僅將分離膜用水清洗。如圖4b所示，在整個分離過程中，分離效率都保持在96%以上，說明分離膜很好的循環利用性。此外，整個分離過程中的流量幾乎都保持在4×104L/（m2h）以上，說明氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜較好的抗污性能。

為進一步衡量氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的實用性能，我們測試了它對各種油的滲透壓。滲透壓是指用水預濕的過濾膜能承受的最大油壓強，可通過公式Δp=ρghmax來計算，其中g是重力加速度，ρ是油的密度，hmax是過濾膜能承受的油的最大高度。如圖4所示，氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜對所有油都表現出了超過0.7 kPa的滲透壓，說明其具有一定實用性。

圖4 a.不同油的分離效率；b.煤油的分離效率隨分離次數的變化；c.煤油的流量隨分離次數的變化；d.不同油的滲透壓

3 結論

以木棉纖維為基體，沉積氧化石墨烯，制備了氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜。該膜具有97%以上的油水分離效率、優越的抗污性能以及循環分離過程中的超高流量。