親水疏油油水分離膜的制備及其性能表征

章成圓，李翠翠，李亞杰，劉晗晴

（浙江海洋大學(xué)石化與能源工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

親水疏油油水分離膜的制備及其性能表征

章成圓，李翠翠，李亞杰，劉晗晴

（浙江海洋大學(xué)石化與能源工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

隨著海上石油開采和海洋石油運輸業(yè)的迅速發(fā)展，每年各個海域都會發(fā)生多起海洋溢油事故，海上石油泄漏對海洋環(huán)境的污染范圍大、持續(xù)時間長，要完全清除難度大，一旦發(fā)生海上溢油事故如不及時迅速處理將對海洋生態(tài)環(huán)境造成了極大的危害。本論文制備一種親水疏油油水分離膜并利用接觸角測量儀、掃描電子顯微鏡和紅外測油儀對油水分離網(wǎng)膜的性能進(jìn)行了分析。

親水疏油；油水分離膜；制備

隨著海上石油開采和海洋石油運輸業(yè)的迅速發(fā)展，每年各個海域都會發(fā)生多起海洋溢油事故，導(dǎo)致大量石油泄露到海洋中，對海洋生態(tài)環(huán)境造成了極大的危害。石油對海洋環(huán)境的污染范圍大、持續(xù)時間長，要完全清除難度大。一旦發(fā)生海上溢油事故需要盡早的發(fā)現(xiàn)并及時地采取措施，降低經(jīng)濟(jì)損失和對環(huán)境的危害實現(xiàn)保護(hù)海洋環(huán)境，促進(jìn)社會、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，世界各國對于真正高效的海上溢油油水分析技術(shù)的渴求越來越迫切[1]。

油水分離是溢油回收中的關(guān)鍵，由于海面溢油受到環(huán)境、氣候等因素的影響擴(kuò)散速度極快，需要在短的時間內(nèi)回收溢油，回收的速度快、回收量大，回收的油品中含有大量的海水，油水分離裝置將回收的油水混合物進(jìn)行分離處理后海水排放，油品儲存在液貨倉。排放了多余的海水可以有效的利用存儲空間，通過排水也可以推動儲油裝置運行減少動力損耗起到節(jié)能減排的作用[2]。油水分離技術(shù)較多，常用的方法有重力分離法、空氣浮選法、粗?；?、過濾法、吸附法、超聲波法等[3-4]，但是海上環(huán)境比較特殊，要求油水分離裝置盡可能的簡單輕便，能量消耗少，分離效果好，分離出的水可以直接排海。油水混合物中形成乳化油，乳化油處于穩(wěn)定狀態(tài)，用物理方法或者化學(xué)方法很難將其分離[3]。

本文擬開展親水疏油油水分離膜的開發(fā)與研究，實現(xiàn)對溢油回收船上回收的油水混合物連續(xù)實時的處理，并在溢油應(yīng)急行動中提高溢油回收的效率，達(dá)到降低經(jīng)濟(jì)損失，保護(hù)海洋環(huán)境，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的目的。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：醋酸鋅（AR級）、F127（AR級）和CTAB（AR級）、乙醇（CP級）、異丙醇鋁（AR級）、四乙烯五胺（AR級）、1,2-二氯乙烷和不銹鋼網(wǎng)（100目和500目）。

儀器：SUPRA55掃描電子顯微鏡（德國ZEISS公司）、DSA30接觸角測量儀（德國KRUSS公司）、OCMA-500紅外測油儀（日本HORIBA公司）。

1.2 實驗過程

1.2.1 稱取1.10 g的醋酸鋅溶于50 mL去離子水中，充分?jǐn)嚢璧玫酱姿徜\溶液，將清潔的不銹鋼網(wǎng)（100目和500目）在醋酸鋅溶液中浸漬10 s，取出在60℃的干燥箱中干燥30 min，重復(fù)浸漬干燥2次，將重復(fù)浸漬和干燥后的不銹鋼網(wǎng)放置在350℃的高溫爐中退火0.5 h。

1.2.2 稱取0.25 g的F127和0.25 g的CTAB溶解入20 mL無水乙醇中，依次向上述溶液中加入0.5 mL硝酸（wt%=67%）和1.02 g異丙醇鋁，將燒杯口密封，室溫攪拌3 h，在60℃的干燥箱中干燥成粉末。

1.2.3 稱取1 g四乙烯五胺加入10 g乙醇中，室溫下攪拌0.5 h，向上述溶液中加入步驟2）所得的粉末2 g，在室溫下攪拌6 h形成溶膠。

1.2.4 將步驟1）所得的涂覆有氧化鋅膜的不銹鋼網(wǎng)在步驟3）所得的溶膠中浸漬2 s，以0.1 cm/s速度向上勻速提拉，形成均勻的膜層，在60℃的干燥箱中干燥30 min，重復(fù)上述浸漬和干燥過程2次后在250℃的高溫爐中退火0.5 h，得到親水疏油油水分離網(wǎng)膜。

1.2.5 利用掃描電子顯微鏡、接觸角測量儀和紅外測油儀對油水分離膜的表面微觀結(jié)構(gòu)、接觸角和膜分離后水中油的濃度進(jìn)行了分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 油水分離膜表面微觀結(jié)構(gòu)

圖1為表面覆蓋氧化鋅的不銹鋼網(wǎng)表面掃描電子顯微（SEM）圖像。在圖1(a)中，在不銹鋼網(wǎng)表面覆蓋了一層ZnO絮狀物，整個不銹鋼網(wǎng)上沒有不銹鋼基體露出。對圖1(a)所示的方框中進(jìn)一步放大，覆蓋在表面微觀顯微結(jié)構(gòu)如圖1 (b)所示。圖1(b)顯示覆蓋在不銹鋼網(wǎng)表面的絮狀結(jié)構(gòu)由ZnO納米線組成的橄欖狀微粒組成。橄欖狀微粒長徑約30 nm，短徑約15 nm。

圖1 油水分離膜表面掃描電子顯微結(jié)構(gòu)：（a）2000X，（b）40000XFig.1 SEM microstructure of oil/water separation membrane:(a)2000X and(b)40000X

2.2 油水分離膜浸潤性

在水相中用接觸角測定儀測量1,2-二氯乙烷液滴對油水分離膜的浸潤性。水相中，1,2-二氯乙烷液滴油對500目和100目不銹鋼網(wǎng)水分離膜接觸角分別為120.6°和129.8°，如圖2（a）和圖2（b）所示。實驗結(jié)果表明，制備的油水分離膜具有水相疏油性質(zhì)，在油水分離工程中可以使水透過油水分離膜而油被截留住，達(dá)到油水分離的目的，接觸角數(shù)據(jù)表明100目油水分離膜比500目油水分離膜的疏油性質(zhì)更好。

圖2 水相中1,2-二氯乙烷接觸角：（a）在500目油水分離膜上，（b）在100目油水分離膜上Fig.2 Contact angle of 1,2-dichloroethane in water on (a)500 mesh and(b)100 mesh oil/water separation membrane

2.3 油水分離效率

將少量柴油和去離子水混合，混合攪拌均勻后用紅外測油儀測定水中柴油的初始濃度（C0）為134.2 mg/L。將上述樣品在室溫重力作用下通過100目油水分離膜，由于水相中油水分離膜疏油特性，油樣被隔離下來而水樣通過，達(dá)到油水分離的效果。油水分離完成后，采用紅外測油儀對透過油水分離膜的水樣中的油濃度進(jìn)行測定，測定水中剩余油的濃度（Cr）為5.9 mg/L，并按照公示（1）計算油水分離膜的油水分離效率e為95.60%。

式中：C0為水相中油的初始濃度，mg/L；Cr為經(jīng)過油水分離膜分離后水相中油的濃度，mg/L。

3 結(jié)論

采用水熱法在100目和500目不銹鋼網(wǎng)上制備了氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，得到一種油水分離網(wǎng)膜。該油水分離網(wǎng)膜在水相中具有較好的親水疏油特性。在室溫下依靠重力作用下，該油水分離膜對柴油和水混合物進(jìn)行了分離，油水分離效率達(dá)到95.60%。

[1]CHU Huaqiang,ZHANG Yalei,ZHOU Xuefei,et al.Bio-enhanced powder-activated carbon dynamic membrane reactor for municipal wastewater treatment[J].Journal of Membrane Science,2013,433:126-134.

[2]VINCENT-VELA M-C,CUARTAS-URIBE B,LVAREZ-Blanco S,et al.Analysis of fouling resistances under dynamic membrane filtration[J].Chemical Engineering and Processing,2011,50(4):404-408.

[3]王婷婷,潘艷秋,王同華.二氧化鈦動態(tài)膜在油水乳化液分離中的應(yīng)用研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報,2010,24(1):22-28.

[4]孫宏梅,潘艷秋,柏 斌,等.炭膜基親水性無機(jī)微濾動態(tài)膜的制備研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報,2011,25(6):1 062-1 067.

Fabrication and Properties of Hydrophilic-Oleophobic Oil/Water Separation Membrane

ZHANG Cheng-yuan,LI Cui-cui,LI Ya-jie,et al
(School of Petrochemical and Energetic Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

With the rapid development of offshore oil exploitation and marine oil transportation,plenty of marine oil spills occur in sea areas every year.The marine oil spills will lead to the marine environment pollution which has the characteristics of wide range and long term.It is difficult to completely clear away.If there is no prompt processing in time,the marine oil spills will cause great harm to the marine ecological environment.This paper fabrication oil/water separation membranes and the membranes was chartered by scanning electron microscopy,contact angle measuring instrument and infrared oil measuring instrument.

Hydrophilic-oleophobic;oil/water separation membrane;fabrication

TQ028.8

A

1008-830X(2016)04-0358-03

2016-05-09

舟山市科技計劃項目（2013C41012）

章成圓（1995-），浙江新昌人，研究方向：油氣儲運.E-mail:414540756@qq.com

李翠翠.E-mail:treacy1028@163.com