改性不銹鋼網(wǎng)油水分離膜的制備與表征

李輩輩

（上海亞新建設(shè)工程有限公司，上海 200436）

改性不銹鋼網(wǎng)油水分離膜的制備與表征

李輩輩

（上海亞新建設(shè)工程有限公司，上海 200436）

本文以不銹鋼網(wǎng)作為膜基材料，利用一步浸涂法將改性的二氧化硅納米顆粒負(fù)載到不銹鋼網(wǎng)表面，從而制備出具有高效油水分離效果的油水分離膜。研究結(jié)果表明，經(jīng)過改性的二氧化硅納米顆粒具有超疏水性能，使經(jīng)過改性涂層后的不銹鋼網(wǎng)疏水性得到很大提高，達(dá)到超親油性能。油品能夠在自身重力作用下透過改性涂層后的不銹鋼網(wǎng)，而水被截留在網(wǎng)篩上面，達(dá)到油水分離的效果。

油水分離膜；不銹鋼網(wǎng)；疏水性；親油性

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器和材料

試驗(yàn)儀器主要有：磁力攪拌器；不銹鋼網(wǎng)片；烘箱等。

試驗(yàn)材料有：無水乙醇；Si（OC2H5）4溶液；CH3Cl3Si溶液；丙酮；去離子水；聚苯乙烯；四氫呋喃等。

1.2 改性不銹鋼網(wǎng)的制備

利用磁力攪拌器，在常溫下向50 mL的無水乙醇中加入5 mLSi（OC2H5）4和5 mLNH3·H2O，繼續(xù)攪拌1 h；之后將該混合溶液靜置老化12 h；然后在磁力攪拌作用下，向該溶液中加入CH3Cl3Si（0.3 mL），攪拌12 h；最后，用C2H6O反復(fù)將混合溶液進(jìn)行離心清洗3次，將離心沉淀物進(jìn)行收集，真空干燥12 h（60℃下），最終得到SiO2的改性顆粒物[1]。

將孔徑不同的不銹鋼網(wǎng)篩剪成長(zhǎng)寬約5 cm大小的網(wǎng)片，隨即在超聲條件下將不銹鋼網(wǎng)片用丙酮和去離子水依次清洗30 min；在60℃的烘箱中將清洗后的網(wǎng)片烘干至恒重。在室溫下，將聚苯乙烯（0.1 g）完全溶解到四氫呋喃（5 mL）中，利用超聲波作用，將0.1 g制備好的SiO2的改性顆粒物超聲分散到該混合溶液中；然后，在上述混合溶液中將網(wǎng)片浸潤(rùn)并保持?jǐn)?shù)分鐘，在烘箱中（75℃下）烘干2 h；最終利用浸涂法，制得改性二氧化硅納米顆粒負(fù)載的不銹鋼網(wǎng)（具有高度疏水和超親油性能）。

2 改性不銹鋼網(wǎng)的性能表征

2.1 改性不銹鋼網(wǎng)的表面特性

決定物質(zhì)表面超疏水特性的因素有很多，其中一個(gè)關(guān)鍵因素就是表面粗糙度。在物質(zhì)表面張力一定的情況下，人們可以通過增加物質(zhì)表面的粗糙度來增強(qiáng)物質(zhì)表面的疏水性能。通過掃描電子顯微鏡（SEM）掃描分析，筆者發(fā)現(xiàn)具有不同孔徑（180 μm、150 μm、75 μm和50 μm）的原始不銹鋼網(wǎng)都具有非常光滑的表面，而經(jīng)過改性SiO2納米顆粒負(fù)載涂層后的不銹鋼網(wǎng)，其表面都變得非常粗糙，這一現(xiàn)象證明了改性SiO2納米顆粒在不銹鋼網(wǎng)上的成功負(fù)載。另外，負(fù)載到網(wǎng)篩上的SiO2納米顆粒的質(zhì)量隨著網(wǎng)篩孔徑的減小而不斷增加，改性SiO2納米顆粒在孔徑分別為180 μm、150 μm、75 μm和50 μm網(wǎng)篩上的負(fù)載量分別為0.04 g、0.06 g、0.10 g和0.13 g。這說明網(wǎng)篩孔徑越小，越容易被SiO2納米顆粒負(fù)載，并且顆粒負(fù)載得更牢固。

利用X射線光電子能譜（XPS）對(duì)材料進(jìn)行進(jìn)一步分析，筆者證實(shí)了改性涂層不銹鋼網(wǎng)表面的化學(xué)組成成分。未涂層改性不銹鋼表面沒有硅元素峰出現(xiàn)，而改性涂層后的不銹鋼網(wǎng)表面出現(xiàn)了硅元素峰（Si 2p），其結(jié)合能為100～200 eV，這證明了改性二氧化硅納米顆粒在不銹鋼網(wǎng)表面的成功負(fù)載，也證實(shí)了SEM的測(cè)試分析。

此外，研究發(fā)現(xiàn)硅元素分別在101.1和102.6 eV處形成了Si-O-C和Si-O-Si鍵，Si-O-C鍵的生成證明了硅元素與不銹鋼網(wǎng)的結(jié)合，Si-O-Si鍵的生成是由于自身的縮合反應(yīng)[2]。未涂層改性不銹鋼網(wǎng)表面的C、O元素含量明顯低于涂層改性后不銹鋼網(wǎng)的C、O元素含量，這都?xì)w功于甲基三氯硅烷改性SiO2納米顆粒的負(fù)載。

C在不銹鋼網(wǎng)上主要存在兩種化學(xué)鍵官能團(tuán)形態(tài)，而這些官能團(tuán)都是疏水性官能團(tuán)，其中化學(xué)鍵C=O的結(jié)合能為282.9 eV，化學(xué)鍵C=C的結(jié)合能為284.6 eV。綜上可知，Si元素在改性后不銹鋼網(wǎng)上的出現(xiàn)，以及C、O元素含量的增加，都證明改性SiO2納米顆粒已經(jīng)成功負(fù)載到不銹鋼網(wǎng)表面。

2.2 改性不銹鋼網(wǎng)的疏水特性及油水分離效果

孔徑不同的不銹鋼網(wǎng)在改性涂層前后對(duì)水的接觸角發(fā)生了變化，原始未改性不銹鋼網(wǎng)對(duì)水的接觸角要遠(yuǎn)小于改性后的不銹鋼網(wǎng)對(duì)水的接觸角。改性涂層后的不銹鋼網(wǎng)（孔徑分別為180 μm、150 μm、75 μm、50 μm）對(duì)水的接觸角分別由原來的86.8°、94.7°、99.9°、100.1°升高到100.6°、117.9°、123.2°、135.3°，其中孔徑為50 μm的改性不銹鋼網(wǎng)對(duì)水的接觸角增加最大，增加了35.2°，這說明SiO2納米顆粒的負(fù)載可以顯著提高不銹鋼網(wǎng)的疏水性能。

改性后不銹鋼網(wǎng)篩對(duì)水的接觸角隨著網(wǎng)篩孔徑的減小而逐漸增大，疏水性也隨之增強(qiáng)，這說明適當(dāng)增加SiO2納米顆粒的負(fù)載量有利于提高不銹鋼網(wǎng)的疏水性能，并且在負(fù)載量增加的適當(dāng)范圍內(nèi)，隨著SiO2顆粒負(fù)載量的增加，不銹鋼網(wǎng)的疏水性能隨之增強(qiáng)。

為了進(jìn)一步證實(shí)改性二氧化硅納米顆粒的作用，筆者對(duì)改性后二氧化硅納米顆粒的疏水性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，改性SiO2納米顆粒達(dá)到了超疏水性能（150.5°，大于150°即為超疏水），因此SiO2的這一性能也增強(qiáng)了改性不銹鋼網(wǎng)的疏水性?？傊?，改性涂層后不銹鋼網(wǎng)的疏水性能主要?dú)w功于改性SiO2納米顆粒在不銹鋼網(wǎng)表面的涂層：一是增加了不銹鋼網(wǎng)的表面粗糙度，二是改性SiO2納米顆粒本身的超疏水性及負(fù)載量都增強(qiáng)了不銹鋼網(wǎng)的疏水性能。

改性不銹鋼網(wǎng)對(duì)水的接觸角增大，這是因?yàn)榻佑|角的形成源于網(wǎng)篩表面的粗糙度和水珠下面的空氣層，這兩者的理想混合能夠促進(jìn)接觸角的形成，水滴在改性涂層后的不銹鋼網(wǎng)表面呈球狀，且在其表面保持不滲漏，從而使其接觸角變大；但水滴在未改性涂層的不銹鋼網(wǎng)表面呈現(xiàn)浸潤(rùn)狀態(tài)，這是由于改性SiO2納米顆粒的負(fù)載使得不銹鋼網(wǎng)表面變得粗糙，從而增大了改性不銹鋼網(wǎng)的疏水性能，致使改性不銹鋼網(wǎng)對(duì)水的接觸角增大。與此同時(shí)，當(dāng)將油品滴到未涂層改性不銹鋼網(wǎng)和改性后不銹鋼網(wǎng)表面時(shí)，油都可以迅速透過網(wǎng)篩，這表明改性前后不銹鋼網(wǎng)均具有親油性能。

其中，50 μm的改性不銹鋼網(wǎng)篩對(duì)水的接觸角最大，因?yàn)镾iO2納米顆粒在孔徑大的網(wǎng)篩上負(fù)載量較少，且網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)比較光滑。水滴不能在孔徑大的網(wǎng)篩表面保持不滲漏，所以，可以選擇50 μm的改性不銹鋼網(wǎng)作為后續(xù)的測(cè)試樣品。

筆者做了進(jìn)一步的試驗(yàn)，研究表征涂層改性后的不銹鋼網(wǎng)對(duì)油品的優(yōu)先選擇性和對(duì)油水混合液的油水分離效果，如圖1所示。首先，將改性涂層后的不銹鋼網(wǎng)固定在大的玻璃瓶和三角瓶之間（見圖1（a）、圖1（b））；其次，將油水混合液（200 mL）倒在網(wǎng)篩表面，此時(shí)發(fā)現(xiàn)油品（紅色）能夠迅速透過網(wǎng)篩而流入下面的三角瓶中，而水（藍(lán)色）被阻擋在網(wǎng)篩上面而不能流入三角瓶中；從圖1（c）可以看出，油滴都透過改性后的網(wǎng)篩而流入三角瓶中，水均保持在網(wǎng)篩表面，沒有流入三角瓶，最后水和油分別得到回收利用。整個(gè)油水分離過程中，油都是通過自身的重力作用迅速透過改性后的不銹鋼網(wǎng)而達(dá)到油水分離的效果，沒有借助任何外力作用。

圖1 改性涂層不銹鋼網(wǎng)的油水分離試驗(yàn)研究

改性后不銹鋼網(wǎng)篩的高度疏水性能和超親油性能使得油水分離達(dá)到良好的效果，從而證實(shí)了其對(duì)油品的優(yōu)先選擇性。這說明在此條件下，不銹鋼網(wǎng)經(jīng)改性SiO2納米顆粒涂層后作為油水分離膜是簡(jiǎn)易可行的。

3 結(jié)論

本文利用簡(jiǎn)便的浸涂法制備了具有高度疏水性和超親油性的改性不銹鋼網(wǎng)油水分離膜，選用的材料也是非常易制備的改性SiO2納米顆粒。二氧化硅納米顆粒經(jīng)過甲基三氯硅烷的改性后，其疏水性增強(qiáng)，對(duì)水的接觸角達(dá)到150.5°，達(dá)到超疏水性能。改性涂層后的不銹鋼網(wǎng)由于SiO2納米顆粒在其表面的負(fù)載，表面疏水性得到增強(qiáng)，親油性能也隨之增強(qiáng)。改性不銹鋼網(wǎng)油水分離膜對(duì)水的接觸角最大達(dá)到135.3°，比原始不銹鋼網(wǎng)對(duì)水的接觸角增加了35.2°，具有高度疏水性；同時(shí)，不同孔徑的改性不銹鋼網(wǎng)均達(dá)到超親油狀態(tài)，對(duì)油接觸角均為0°。

油水分離試驗(yàn)中，在自身的重力作用下，油水混合液中的油品能迅速透過改性不銹鋼網(wǎng)，而水被阻隔在網(wǎng)外，這充分展示了改性不銹鋼網(wǎng)良好的油水分離效果。因此，本試驗(yàn)研究中制備的改性不銹鋼網(wǎng)油水分離膜在大型油水分離應(yīng)用中具有很大潛力。

1 魏淑偉.水體中油污染現(xiàn)狀及測(cè)定方法研究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28（2）：92-94.

2 陳建秋.中國(guó)近海石油污染現(xiàn)狀、影響和防治[J].節(jié)能與環(huán)保，2002，30（3）：15-17.

Preparation and Characterization of Oil - Water Separation Membrane - Modified Stainless Steel Mesh

Li Beibei
(Shanghai Yaxin Construction Engineering Co., Ltd., Shanghai 200436, China)

In this paper, the modified silica nanoparticles were loaded onto the surface of stainless steel mesh by one-step dip coating method using stainless steel mesh as the film-based material, and the oil-water separation membrane with high oil-water separation effect was prepared.The results show that the modified silica nanoparticles have superhydrophobic properties, so that the hydrophobicity of stainless steel mesh after modified coating is greatly improved to achieve super -oil performance.Oil can be under its own gravity through the modified coating after the stainless steel mesh, and water was trapped in the screen above the oil and water separation effect.

oil and water separation membrane; stainless steel net; hydrophobic; lipophilic

TQ051.893

A

1008-9500(2017)10-0008-03

2017-08-22

李輩輩（1988-），女，山東濱州人，博士研究生，工程師，從事環(huán)境污染場(chǎng)地調(diào)查、環(huán)境污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及環(huán)境污染場(chǎng)地修復(fù)工作。