本發(fā)明屬于功能材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有特殊浸潤性的高效、連續(xù)油水分離裝置。

背景技術(shù)：

隨著生產(chǎn)生活中含油污水的大量排放和海上原油泄漏事故的頻繁發(fā)生，對高性能油水分離材料及技術(shù)的探索與發(fā)展已經(jīng)成為關(guān)系到人民生活、經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境安全的重要課題。

在荷葉表面結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，F(xiàn)eng等人(參考文獻1：Feng L,Zhang Z Y,Mai Z H,et al.A super-hydrophobic and super-oleophilic coating mesh film for the separation of oil and water.Angew.Chem.Int.Ed.,2004,43(15),2012-2014.)以不銹鋼絲網(wǎng)為基底，利用噴涂-干燥技術(shù)，修飾低表面能物質(zhì)聚四氟乙烯，制備了具有超疏水超親油性的噴涂網(wǎng)膜。該分離網(wǎng)膜分離效果好，強度高，從此開創(chuàng)了特殊浸潤性材料用于油水分離的新方法。

2011年,Shi等(參考文獻2：Cheng M J,Gao Y F,Shi F,et al.A functionally integrated device for effective and facile oil spill cleanup.Langmuir,2011,27,7371-7375.)制備了功能性處理廢水裝置。通過將Ag粒子沉積在SAMs表面來制備超疏水表面。能夠高效的、循環(huán)多次的分離多種油，但成本較高，不宜擴大生產(chǎn)。

如今，利用膜技術(shù)及材料表面的特殊浸潤性進行油水分離的研究越來越多，這些新方法已逐漸成為清理水面浮油、實現(xiàn)油水分離的重要方法。它具有在常溫下運行、無相變、裝置小、能耗較低、分離過程可高度自動化、油水分離后油的回收相對簡單等優(yōu)點。但目前可用于油水分離的膜材料存在通量過低、處理速度慢、抗污染能力差、只能分批處理廢水等缺點，只能用于小規(guī)模的油水分離，極大的限制了膜技術(shù)在實際廢水處理和原油泄漏事故中的應(yīng)用。因此，如何將聚合物膜應(yīng)用于油水分離裝置，實現(xiàn)膜分離技術(shù)連續(xù)分離油水混合物，是人們?nèi)找骊P(guān)注的課題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于以簡單、經(jīng)濟的方法解決膜分離技術(shù)處理量小、分離速度慢、只能分批處理廢水的難題，實現(xiàn)膜分離技術(shù)在實際生活中的應(yīng)用。

本發(fā)明提供一種高效、連續(xù)油水分離裝置，所述裝置包括集油箱、機械泵和油收集裝置。所述集油箱呈立方體框架結(jié)構(gòu)，所述立方體框架的五個面上固定有附載疏水薄膜的金屬基底，并且與油水混合物充分接觸，第六個面為開口。所述機械泵的入油口通過管路連接所述集油箱，機械泵的出油口通過管路連接所述的油收集裝置。在機械泵的作用下，集油箱內(nèi)經(jīng)過油水分離得到的油會進一步收集到所述的油收集裝置中，實現(xiàn)了對油水混合物的分離和收集同時進行，大大縮短了回收廢油的時間，從而實現(xiàn)了油水混合物的連續(xù)分離，分離效率達到97％以上。

所述的疏水薄膜通過靜電紡絲法制備在所述的金屬基底上。

所述的疏水薄膜為疏水親油的纖維膜，金屬基底為金屬網(wǎng)，因此所述的集油箱上，疏水薄膜位于集油箱的外側(cè)，金屬基底位于集油箱的內(nèi)側(cè)，實現(xiàn)油水混合物中含有的油向集水箱內(nèi)部的定向通過，而水不能透過。

所述立方體框架為輕便的、耐有機溶劑的材料，可以選取材料包括輕便塑料(如聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯)、EPE珍珠棉或輕質(zhì)木棒(如三合板)中的任意一種。

所述金屬網(wǎng)為50～300目的不銹鋼網(wǎng)或磷銅網(wǎng)等機械性能高、韌性好的材料。

所述的疏水薄膜厚度為30～50μm；平均纖維直徑為100nm～3.0μm。

本發(fā)明所提供的油水分離裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于擴大化生產(chǎn)，可以長期循環(huán)使用。在工業(yè)含油廢水(油水混合物)的處理中具有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明提供的油水分離裝置具有分離效率高、處理量大、分離速度快等特點，適用于含柴油、汽油、機油等含油廢水的快速處理。

本發(fā)明采用靜電紡絲的方法，在金屬基底上電紡一層疏水薄膜，克服了單層聚合物膜機械性能差的缺點。同時，本發(fā)明制備的疏水薄膜具有疏水/親油性能，水的接觸角大于106°，油的接觸角接近0°。因其具有特殊浸潤性，可以使油順利通過疏水薄膜而水完全不透過，從而實現(xiàn)高效、連續(xù)的油水分離。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中附載疏水薄膜的金屬基底結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實施例1所述的疏水薄膜(PVDF-HFP,16wt％)表面放大10000倍形貌掃描電鏡圖片。

圖3是實施例1所述的水滴(2μL)在PVDF-HFP疏水薄膜(16wt％)的接觸角照片，水的接觸角為132°。

圖4是本發(fā)明中集油箱的立方體框架示意圖。

圖5是本發(fā)明的油水分離裝置中集油箱的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明的油水分離裝置的連接示意圖。

圖中：

1.疏水薄膜； 2.金屬基底； 3.立方體框架；

4.集油箱； 5.機械泵； 6.油收集裝置。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明提供一種高效、連續(xù)油水分離裝置，所述裝置包括集油箱4、機械泵5和油收集裝置6。如圖4所示，所述集油箱4呈立方體框架結(jié)構(gòu)，如圖5，所述立方體框架3的五個面上固定有附載疏水薄膜的金屬基底，頂面開口。所述機械泵5的入油口通過管路連接所述集油箱4，機械泵5的出油口通過管路連接所述的油收集裝置6。所述集油箱4的五個具有疏水薄膜1的表面置于待處理的油水混合物中，開口向上，油水混合物中的油單向通過疏水薄膜1進入集油箱4內(nèi)部，在機械泵5的作用下，集油箱4內(nèi)經(jīng)過油水分離得到的油會進一步收集到所述的油收集裝置6中，實現(xiàn)了對油水混合物的分離和收集同時進行，大大縮短了回收廢油的時間，從而實現(xiàn)了油水混合物的連續(xù)分離，分離效率達到97％以上。

所述的疏水薄膜1通過靜電紡絲法制備在所述的金屬基底2上。

所述的附載疏水薄膜的金屬基底，疏水薄膜1為疏水親油的纖維膜，金屬基底2為金屬網(wǎng)，因此所述的集油箱4上，如圖5所示，疏水薄膜1位于集油箱4的外側(cè)，金屬基底2位于集油箱4的內(nèi)側(cè)。

所述立方體框架3為輕便的、耐有機溶劑的材料，可以選取材料包括輕便塑料(如聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯)、EPE珍珠棉或輕質(zhì)木棒(如三合板)中的一種。

所述金屬基底2采用的金屬網(wǎng)為網(wǎng)孔尺寸50～300目的不銹鋼網(wǎng)或磷銅網(wǎng)等機械性能高、韌性好的材料。

所述的疏水薄膜1厚度為30～50μm；平均纖維直徑為100nm～3.0μm，通過以下步驟方法得到：

室溫下，將聚合物A溶于溶劑B中并連續(xù)攪拌3～12h至聚合物A完全溶解，得到的聚合物溶液作為紡絲溶液裝入注射器中。注射器針頭與高壓直流電源的正極相連；以金屬網(wǎng)為接收基底，與高壓直流電源的負極相連，進行靜電紡絲，即在金屬基底上得到疏水薄膜。

所述的聚合物A為疏水性聚合物，具體選擇為聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、尼龍6(PA6)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚己內(nèi)酯(PCL)或聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)中的一種。

所述的溶劑B為N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、1,4-二氧六環(huán)、四氫呋喃(THF)、氯仿、甲苯、三氯乙烯、環(huán)己酮、丙酮(acetone)中一種或兩種的混合溶液。

所述的聚合物溶液的質(zhì)量百分比濃度為7％～30％。

所述的靜電紡絲過程中注射器推進速度為0.4～6ml/h；靜電紡絲電壓為8～30kV；接收距離為6～35cm。

實施例1

將50目不銹鋼網(wǎng)依次置于丙酮、乙醇溶液中，超聲10min；之后將其置于水中，繼續(xù)超聲10min，去除不銹鋼網(wǎng)表面的油漬。洗滌后的不銹鋼網(wǎng)置于烘箱中，在120℃條件下，烘干2h。室溫下，將1.6g PVDF-HFP溶于2.52g DMAc和5.88g acetone的混合溶劑中。連續(xù)攪拌12h至完全溶解，獲得16wt％的PVDF-HFP紡絲溶液。將紡絲溶液裝入容量為2mL的注射器中，推進速度為3ml/h。將注射器針頭與高壓直流電源的正極相連，以完成預(yù)處理的50目不銹鋼網(wǎng)作為接收基底，與高壓直流電源的負極相連。調(diào)整紡絲參數(shù)：靜電紡絲電壓為19kV，不銹鋼針頭與金屬基底間的距離調(diào)為15cm。最終得到如圖1所示的附載有PVDF-HFP疏水薄膜的金屬基底，PVDF-HFP疏水薄膜的形態(tài)如圖2所示：纖維之間相互堆疊，形成很多孔隙，纖維表面非常光滑，纖維直徑相對均勻。疏水薄膜厚度為50μm，平均纖維直徑為1μm，如圖3所示該疏水薄膜對水的接觸角為132°±3°。

如圖4所示，將聚乙烯(EPE)泡沫加工為10×1×1cm的長條狀，并組裝為10×10×10cm立方體框架3。將所制備的附載PVDF-HFP疏水薄膜的不銹鋼網(wǎng)固定在EPE支架外圍的五個平面上，組裝如圖5所示的空心集油箱4。

進行油水分離：如圖6所示，將所制備的集油箱4放置在油水混合物中，開口面朝上，確保油水混合物不沒過集油箱4的頂部；油水混合物通過固定有附載疏水薄膜的金屬基底緩慢地進入到集油箱4的內(nèi)部；打開機械泵5，集油箱4中收集到的油通過機械泵5的入油口被連續(xù)地抽離并進入到油收集裝置6。經(jīng)油水分離后收集的油通過微量水分測量儀進行測試，油水分離效率達到99.9％。

實施例2

將300目不銹鋼網(wǎng)依次置于丙酮、乙醇溶液中，超聲10min；之后將其置于水中，繼續(xù)超聲10min。洗滌后的不銹鋼網(wǎng)置于烘箱中，在120℃條件下，烘干2h。室溫下，將3g PS溶于2.1g DMF和4.9g THF的混合溶劑中，連續(xù)攪拌3h后，繼續(xù)陳化12h后得到30wt％的紡絲溶液。將紡絲溶液裝入容量為2mL的注射器中,推進速度為4ml/h。將注射器針頭與高壓直流電源的正極相連，以完成預(yù)處理的300目不銹鋼網(wǎng)作為接收基底,與高壓直流電源的負極相連。調(diào)整紡絲參數(shù)：靜電紡絲電壓為8kV，不銹鋼針頭與金屬基底間的距離調(diào)為15cm。最終得到疏水薄膜的厚度為35μm。紡絲完成后將所得疏水薄膜置于干燥箱中40℃干燥24h，即得到微納米PS疏水薄膜。所得疏水薄膜的平均直徑是300nm，對水的接觸角為154°±4°。

將輕便塑料(聚四氟乙烯)加工為10×1×1cm的長條狀，并組裝為10×10×10cm立方體框架。將制備的附載PS疏水薄膜的不銹鋼網(wǎng)固定在輕便塑料支架外圍的五個平面上，組裝成空心集油箱4。

進行油水分離：將所制備的集油箱4放置在油水混合物中，開口面朝上，確保油水混合物不沒過集油箱4的頂部；油水混合物通過固定有附載疏水薄膜的金屬基底緩慢地進入到集油箱4的內(nèi)部；打開機械泵5，集油箱4中收集到的油通過機械泵5的入油口被連續(xù)地抽離并進入到油收集裝置6。經(jīng)油水分離后收集的油通過微量水分測量儀進行測試，油水分離效率達到99％。

實施例3

將50目磷銅網(wǎng)置于丙酮、乙醇溶液中，超聲10min；之后將其置于水中，繼續(xù)超聲10min。洗滌后的磷銅網(wǎng)置于烘箱中，在120℃條件下，烘干2h。室溫下，稱取0.7g的PU聚合物顆粒，加入到9.1g DMF中連續(xù)攪拌12h至完全溶解,獲得7wt％的紡絲溶液。將紡絲溶液裝入容量為2mL的注射器中，推進速度為3ml/h。將注射器針頭與高壓直流電源的正極相連，以完成預(yù)處理的50目磷銅網(wǎng)作為接收基底，與高壓直流電源的負極相連。調(diào)整紡絲參數(shù)：靜電紡絲電壓為30kV，不銹鋼針頭與金屬基底間的距離調(diào)為35cm。最終，獲得疏水薄膜厚度為30μm。微納米PU疏水薄膜的平均直徑是100nm,對水接觸角是106°±4°。

將聚乙烯(EPE)泡沫加工為10×1×1cm的長條狀，組裝為10×10×10cm立方體框架。將制得的附載PU疏水薄膜的磷銅網(wǎng)固定在EPE支架外圍的5個平面上，組裝為空心“集油箱”。

進行油水分離：將所制備的集油箱4放置在油水混合物中，開口面朝上，確保油水混合物不沒過集油箱4的頂部；油水混合物通過固定有附載疏水薄膜的金屬基底緩慢地進入到集油箱4的內(nèi)部；打開機械泵5，集油箱4中收集到的油通過機械泵5的入油口被連續(xù)地抽離并進入到油收集裝置6。經(jīng)油水分離后收集的油通過微量水分測量儀進行測試，油水分離效率達到97％。

實施例4：

將300目磷銅網(wǎng)置于丙酮、乙醇溶液中，超聲10min；之后將其置于水中，繼續(xù)超聲10min。洗滌后的磷銅網(wǎng)置于烘箱中，在120℃條件下，烘干2h。室溫下，將2.0g PVDF溶于4.8g DMF和3.2g acetone混合溶劑中，連續(xù)攪拌12h至完全溶解，獲得20wt％濃度的PVDF紡絲溶液。將紡絲溶液裝入容量為2mL的注射器中，推進速度為6ml/h。將注射器針頭與高壓直流電源的正極相連；以完成預(yù)處理的300目磷銅網(wǎng)作為接收基底，與高壓直流電源的負極相連。調(diào)整紡絲參數(shù)：靜電紡絲電壓為22kV，不銹鋼針頭與金屬基底間的距離調(diào)為20cm。最終，獲得疏水薄膜厚度為40μm。所得疏水薄膜的平均直徑是2.0μm，對水的接觸角為144°±4°。

將輕便塑料(聚四氟乙烯)加工為長條狀，并組裝為15×10×8cm立方體框架。進一步將制得的負載PVDF纖維膜的磷銅網(wǎng)固定在塑料(聚四氟乙烯)支架外圍的五個平面上，組裝成空心“集油箱”。

進行油水分離：將所制備的集油箱4放置在油水混合物中，開口面朝上，確保油水混合物不沒過集油箱4的頂部；油水混合物通過固定有附載疏水薄膜的金屬基底緩慢地進入到集油箱4的內(nèi)部；打開機械泵5，集油箱4中收集到的油通過機械泵5的入油口被連續(xù)地抽離并進入到油收集裝置6。經(jīng)油水分離后收集的油通過微量水分測量儀進行測試，油水分離效率達到98.5％。

實施例5

將200目不銹鋼網(wǎng)置于丙酮、乙醇溶液中，超聲10min；之后將其置于水中，繼續(xù)超聲10min。洗滌后的不銹鋼網(wǎng)置于烘箱中，在120℃條件下，烘干2h。室溫下，將1.5g PLGA加入到4.25g DMF和4.25g acetone的混合溶劑中，連續(xù)攪拌12h至完全溶解，獲得15wt％濃度的紡絲溶液。將紡絲溶液裝入容量為2mL的注射器中，推進速度為0.4ml/h。將注射器針頭與高壓直流電源的正極相連，以完成預(yù)處理的200目不銹鋼網(wǎng)作為接收基底,與高壓直流電源的負極相連。調(diào)整紡絲參數(shù)：靜電紡絲電壓為8kV，不銹鋼針頭與金屬基底間的距離調(diào)為6cm。最終，獲得疏水薄膜厚度為50μm，疏水薄膜的平均直徑為3μm，對水的接觸角為112°±3°。

將輕便塑料(聚丙乙烯)加工為長條狀，并組裝為15×10×10cm立方體框架。進一步將制得的附載PLGA疏水薄膜的不銹鋼網(wǎng)固定在輕便塑料(聚丙乙烯)支架外圍的五個平面上，組裝成空心集油箱4。

進行油水分離：將所制備的集油箱4放置在油水混合物中，開口面朝上，確保油水混合物不沒過集油箱4的頂部；油水混合物通過固定有附載疏水薄膜的金屬基底緩慢地進入到集油箱4的內(nèi)部；打開機械泵5，集油箱4中收集到的油通過機械泵5的入油口被連續(xù)地抽離并進入到油收集裝置6內(nèi)部。經(jīng)油水分離后收集的油通過微量水分測量儀進行測試，油水分離效率達到98％。