三種油水分離用超疏水親油濾網(wǎng)制備綜合實驗

曾秀敏，阮 濤

(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640)

在理工科學(xué)科中，實驗教學(xué)是一種重要的實踐教學(xué)方式[1-3]。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，偏驗證性實驗，由老師制定實驗方案，學(xué)生預(yù)習(xí)實驗、按照實驗操作重復(fù)結(jié)果，強調(diào)實驗操作規(guī)范性、結(jié)果準(zhǔn)確性，能夠培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗操作，但實驗比較枯燥，無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，更無法接觸的前沿的科研方向以及分析測試手段[4-6]。教育部印發(fā)《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革， 全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中指出：強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。我院依托國家自然科學(xué)基金項目，設(shè)計油水分離用超疏水親油濾網(wǎng)的制備實驗，并進行教學(xué)實踐。

水是生命的源泉，是寶貴的自然資源。目前，工業(yè)的高速發(fā)展，需要大量的石油產(chǎn)品作為能源以及原料。而在石油煉制、運輸過程中，石油原料及石油產(chǎn)品的泄露、廢物的排放等對于水的污染日漸嚴(yán)重。傳統(tǒng)的油水處理技術(shù)(燃燒法、離心法、重力法、浮選法、化學(xué)絮凝法)[7-8]存在分離效率低、能耗高、容易造成二次污染等缺陷。近年來，基于界面科學(xué)和仿生學(xué)思想的超疏水親油材料引起了科研工作者極大的關(guān)注[9-10]。通過對材料表面進行結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的調(diào)控，賦予材料超疏水親油性能，使材料表面對水的接觸角大于150°，對油的接觸角小于10°[11]，因此能選擇性地濾除或者吸附油，從而將油水兩相分離開。其中超疏水親油材料因具有極高的選擇性和吸油率，逐漸成為處理油污染的研究熱點[12-13]。為實現(xiàn)油水混合物的高效分離，高性能濾網(wǎng)必須具備的特征：①具有合適的孔徑，既保證高的分離純度又保證高的分離通量[14]；②濾網(wǎng)對水的阻力大，水不能透過，對油的阻力小，能讓油順利通過； ③濾網(wǎng)的微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)。

有利于提高油液的傳送效率，降低分離能耗。因此，多孔網(wǎng)膜的網(wǎng)孔孔徑、網(wǎng)膜表面的化學(xué)組成和微觀形貌對油水分離用超疏水親油濾網(wǎng)的制備至關(guān)重要[15]。整個實驗項目，為一個整體的化學(xué)工藝探索與優(yōu)化方案，涉及化工學(xué)生已學(xué)的化工分離、物理化學(xué)、無機化學(xué)、化學(xué)工程與工藝知識，能夠鞏固學(xué)生已學(xué)知識，并進行融匯貫通，將理論知識應(yīng)用到實踐中，有利于激發(fā)學(xué)生的科研興趣，為以后學(xué)生科研或工作打下基礎(chǔ)。

1 實驗試劑與儀器

1.1 實驗試劑

銅網(wǎng)，無水乙醇，鹽酸，氫氧化鈉，過硫酸銨，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，異丙醇，去離子水，棉布，甲基丙烯酸-七異丁基多面體齊聚物硅氧烷(C35H74O14Si8)(MAPOSS)，二氯乙烷，蘇丹III，3-巰基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)，乙酸乙酯，異辛烷，無水乙醇，十二烷，6107熱塑性丙烯酸樹脂，疏水SiO2納米粒子，400目不銹鋼濾網(wǎng)。

1.2 實驗儀器

分析天平，電熱鼓風(fēng)干燥箱，超聲儀，油水分離器，接觸角分析儀，紫外線燈，高分辨掃描電鏡(SEM)。

2 實驗預(yù)習(xí)

在指導(dǎo)老師的幫助下，學(xué)生通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，圍繞本科研實驗內(nèi)容，通過選擇合適網(wǎng)孔孔徑的多孔網(wǎng)膜(銅網(wǎng)、棉布、不銹鋼)，選擇改性條件(在多孔網(wǎng)膜噴涂聚二甲基硅氧烷、多面體低聚倍半硅氧烷、熱塑性丙烯酸樹脂、二氧化硅等)，探索調(diào)控網(wǎng)膜表面化學(xué)組成和微觀形貌，各自提出自己的實驗方案、理論依據(jù)及具體實驗步驟，制備超疏水親油濾網(wǎng)。指導(dǎo)老師根據(jù)學(xué)生提交的預(yù)習(xí)報告，修改實驗方案，確定具體實驗步驟。

3 實驗設(shè)計

3.1 PDMS改性銅網(wǎng)實驗

(1)預(yù)處理：將尺寸為3 cm×3 cm的銅網(wǎng)依次在乙醇、異丙醇和0.1 M鹽酸中超聲洗滌10 min以除去表面污漬和氧化物；

(2)氧化：分別配制12.5 mL的10 mol/L氫氧化鈉和5 mL的1 mol/L過硫酸銨，將兩者混合后用32.5 mL的去離子水稀釋。將處理好的銅網(wǎng)放入混合溶液中，室溫反應(yīng)10 min，洗凈吹干；

(3)涂覆：然后將PDMS按照A和B組分為10:1的比例(A：0.1 g、B：0.01 g)溶解在適量二氯乙烷(約20 mL)中配置成溶液，將吹干的銅網(wǎng)，浸沒在溶液中5 min后取出，80 ℃固化1 h。

3.2 棉布接枝MAPOSS實驗

(1)預(yù)處理：首先將尺寸為3 cm×3 cm的棉布浸泡在含有0.15 mol/L的MPTES乙醇溶液中兩小時，然后用乙醇清洗干凈，在80 ℃下干燥1 h；

(2)接枝MAPOSS：將干燥的棉布在含有MAPOSS (1.5wt%)和HMPF(0.15wt%)的30 mL二氯乙烷中浸泡 10 min，然后取出，放在紫外燈下照射1 h。最后用乙醇清洗并在60 ℃下干燥。

3.3 不銹鋼網(wǎng)涂SiO2實驗

(1)預(yù)處理：將400目的不銹鋼濾網(wǎng)剪裁成尺寸為40 mm×40 mm大小，并依次浸泡在丙酮、乙醇和去離子水中分別超聲清洗5 min，以除去不銹鋼濾網(wǎng)表面的油污雜質(zhì)，最后在電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥，備用；

(2)制備溶液：稱取一定量的熱塑性丙烯酸樹脂，并將其溶解在乙酸乙酯溶液中，超聲溶解10 min，配成濃度為5wt%的熱塑性丙烯酸樹脂乙酸乙酯溶液。稱取一定量的疏水SiO2，并將其分散于乙酸乙酯溶液中，超聲分散30 min，配成濃度為0.5wt%的疏水SiO2乙酸乙酯溶液；

(3)噴涂：將清洗過的不銹鋼濾網(wǎng)浸泡在熱塑性樹脂乙酸乙酯溶液中2 min，慢慢提拉出來，盡可能均勻些，常溫干燥。接著，用噴涂的方法將疏水SiO2粒子噴涂在浸涂了熱塑性丙烯酸樹脂涂膜的濾網(wǎng)上，常溫干燥后在100 ℃的條件下加熱 10 min，然后冷卻到常溫用乙醇洗滌樣品3遍。再在 5wt%的熱塑性丙烯酸樹脂乙酸乙酯溶液中浸漬30 s，常溫干燥后在反面噴涂0.5wt%的疏水SiO2乙酸乙酯，然后100 ℃加熱10 min，冷卻到常溫，用乙醇洗滌樣品3遍。重復(fù)浸涂-噴涂步驟2遍，即制得超疏水超親油不銹鋼濾網(wǎng)(PINF-SSM)。

3.4 樣品分析

(1)測試油水分離效率：稱量空燒瓶質(zhì)量，然后稱10 g二氯乙烷和適量去離子水混合加入燒瓶中，再加入少許蘇丹III染色。將上述制得的濾網(wǎng)用于分離燒瓶混合液，最后稱量燒瓶和分離出的二氯乙烷總質(zhì)量，計算得出油水分離效率；

(2)表征分析：測量去離子水在樣品表面的靜態(tài)接觸角，用SEM電鏡表征樣品表面微觀結(jié)構(gòu)。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 銅網(wǎng)涂覆PDMS

對改性前后的銅網(wǎng)進行靜態(tài)接觸角測試如圖1所示。

圖1 銅網(wǎng)涂覆PDMS前后靜態(tài)接觸角Fig.1 Static contact angle before and after copper mesh coating PDMS

銅網(wǎng)涂覆PDMS改性前，接觸角為53.25°；銅網(wǎng)涂覆PDMS改性后，接觸角152°，改性后，銅網(wǎng)疏水效果良好。銅網(wǎng)涂覆PDMS改性后，進行油水分離效率測試，測得效率為92.7%。

對銅網(wǎng)涂覆PDMS改性前后進行SEM分析如圖2所示。

銅網(wǎng)表面附著物的性質(zhì)及其表面形貌，影響銅網(wǎng)的表面疏水性[10]。如圖2所示，銅網(wǎng)涂覆PDMS改性前，銅網(wǎng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯，在高倍率電鏡圖下，銅網(wǎng)表面光滑，無凸起物；銅網(wǎng)涂覆PDMS改性后，銅網(wǎng)疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被充滿，在高倍電鏡觀察下，銅網(wǎng)表面覆蓋一層棒狀物，由于銅網(wǎng)表面覆蓋PDMS及粗糙度增加，致使銅網(wǎng)疏水性增加。

圖2 銅網(wǎng)涂覆PDMS改性前后掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of copper mesh before and after PDMS modification

4.2 棉布接MAPOSS

對棉布接POSS前后進行靜態(tài)接觸角測試如圖3所示。

圖3 棉布接MAPOSS前后靜態(tài)接觸角Fig.3 Static contact angle of cotton cloth before and after grafting MAPOSS

如圖3所示，未改性前的棉布，靜態(tài)接觸角為0°；棉布接MAPOSS后，表面接觸角為152°，棉布由親水性變?yōu)槭杷裕薏冀覯APOSS改性后，進行油水分離效率測試，測得效率為81.16%。

圖4 棉布接MAPOSS前后掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of cotton cloth before and after grafting MAPOSS

對棉布接MAPOSS前后SEM電鏡掃描如圖4所示。

如圖4所示，棉布改性前，棉布表面紋路明顯，表面光滑，無顆粒；棉布接MAPOSS改性后，棉布表面接上MAPOSS小顆粒，由于棉布表面接MAPOSS及粗糙度增加，棉布疏水性增加。

4.3 不銹鋼網(wǎng)噴涂SiO2

對不銹鋼網(wǎng)噴涂SiO2前后進行靜態(tài)接觸角測試如圖5所示。

圖5 不銹鋼網(wǎng)噴涂SiO2前后靜態(tài)接觸角Fig.5 Static contact angle of stainless steel net before and after spraying SiO2

如圖5所示，未改性前的不銹鋼網(wǎng)，靜態(tài)接觸角為83°；不銹鋼網(wǎng)噴涂SiO2改性后，表面接觸角為153°，不銹鋼網(wǎng)由親水性變?yōu)槭杷裕讳P鋼網(wǎng)噴涂SiO2改性后，進行油水分離效率測試，測得效率為82.50%。

對不銹鋼網(wǎng)噴涂SiO2前后進行SEM測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不銹鋼網(wǎng)噴涂SiO2前后掃描電鏡圖Fig.6 SEM images of stainless steel net before and after spraying SiO2

如圖6所示，未噴涂SiO2前，不銹鋼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯，孔隙率大，在高倍率掃描電鏡觀察下，不銹鋼網(wǎng)表面光滑；不銹鋼網(wǎng)噴涂SiO2后，不銹鋼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被堵塞，孔隙基本被堵塞，在高倍率掃描電鏡觀察下，表面出現(xiàn)一層明顯的顆粒感。由于不銹鋼網(wǎng)噴涂SiO2及表面粗糙度增加，導(dǎo)致了其疏水效果增加；但由于實驗室過程中，噴涂SiO2過多，導(dǎo)致堵塞不銹鋼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，油水分離過程中阻力增大，影響了油水分離效果。

5 實驗教學(xué)效果

實驗為科研項目轉(zhuǎn)化的探究性實驗：在兩屆教學(xué)實踐過程中，以學(xué)生為主導(dǎo)，教師采用啟發(fā)式、討論式和建議式的模式，鍛煉學(xué)生通過查閱科技文獻(xiàn)資料獲得新知識的能力及提出問題、分析問題、解決問題的能力。老師給定油水分離用超疏水親油濾網(wǎng)的制備方向，由學(xué)生充分查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，了解該方向的發(fā)展前沿和存在的問題，在本科研項目前人的基礎(chǔ)上，設(shè)計工藝優(yōu)化方案。并根據(jù)設(shè)計實驗方案，學(xué)生動手操作實驗、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析、實驗結(jié)論，老師根據(jù)實驗結(jié)果，提出建議，由學(xué)生繼續(xù)進行實驗方案優(yōu)化，不斷探索。

6 結(jié) 語

超疏水親油濾網(wǎng)的制備，需要使用不同材料修飾濾網(wǎng)，其中，材料的形貌、顆粒大小、加入量等，都對實現(xiàn)濾網(wǎng)的超疏水性能有影響。通過對三種不同材質(zhì)的濾網(wǎng)進行改性，對比其油水分析效率及影響原因，能激發(fā)學(xué)生主動尋找解決問題的興趣，進一步激發(fā)其了解現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的興趣。且利用大型儀器進行表征，讓學(xué)生接觸到現(xiàn)代先進的檢測分析手段，實驗條件改變，引起的實驗結(jié)果變化直觀可見，如濾網(wǎng)形貌變化(SEM測試)，改變材料性能，導(dǎo)致接觸角變化(接觸角測量儀測試)，能夠啟迪學(xué)生的思考，進而激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)造力，引起學(xué)生好奇心，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。