陶瓷疏水膜的制備及在廢潤(rùn)滑油中脫水的應(yīng)用

陳名祥

（江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司，宜興214221）

0 引言

多孔無(wú)機(jī)膜表面改性的最常用方法是表面接枝疏水技術(shù)，因其工序操作方便、工藝流程短且機(jī)械化程度高，可控、可追溯，應(yīng)用于工業(yè)化投資成本較低等特點(diǎn)，被廣泛用于無(wú)機(jī)膜表面改性。接枝疏水技術(shù)可根據(jù)不同工況與基膜本身表面能接枝不同基團(tuán)，使其改性，達(dá)到高疏水的改性膜，可應(yīng)用于有機(jī)溶劑過(guò)濾、膜蒸餾、氣體分離等不同工藝過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)膜表面性能。

本文在表面接枝技術(shù)方法基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)氧化鋯陶瓷基膜表面進(jìn)行疏水性的三甲基氯硅烷接枝，分析對(duì)比了接枝改性前后氧化鋯陶瓷膜隨不同濃度與改性時(shí)間變化導(dǎo)致疏水性接觸角與滲透性差異，同步分析了接枝改性前后氧化鋯陶瓷膜的表面物理化學(xué)性質(zhì)，分析了接枝疏水制備工藝流程，通過(guò)FTIR、接觸角對(duì)改性氧化鋯膜進(jìn)行表征，以含水潤(rùn)滑油為原料液，考察表面疏水改性對(duì)油液滲透通量和截留性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

氧化鋯無(wú)機(jī)陶瓷膜(平均孔徑50 nm)，19通道外徑30 mm，江蘇省宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司自制；三甲基氯硅烷、Aldrich、氫氧化鈉、氯仿、無(wú)水乙醇、鹽酸；廢潤(rùn)滑油，上海利科公司；去離子水：電導(dǎo)率小8μS/cm；油水分離設(shè)備，江蘇宜興非金屬化工機(jī)械廠有限公司自制。

1.2 疏水改性實(shí)驗(yàn)方法和步驟

（1）配制有機(jī)前驅(qū)體三甲基氯硅烷溶于氯仿溶劑中的溶液，濃度為0.02 mol/L，常溫?cái)嚢璺稚?2 h，用鹽酸調(diào)節(jié)PH為至4-4.5。

（2）疏水膜制備前對(duì)陶瓷氧化鋯膜進(jìn)行15 min的濃度在3 mol/L氫氧化鈉溶液中浸泡預(yù)處理，用去離子水潤(rùn)洗3遍，后在150℃溫度下強(qiáng)制干燥2 h，降至常溫備用。

（3）將預(yù)處理的陶瓷氧化鋯膜完全浸置于以上各濃度的溶液里進(jìn)行改性，改性時(shí)間分別為6 h、12 h、24 h、48 h、72 h，需完全浸沒(méi)陶瓷氧化鋯膜。

（4）將改性后的19孔陶瓷氧化鋯膜用去離子水進(jìn)行沖洗3～5次，直到表面有機(jī)溶劑完全被清洗干凈。

（5）將以上改性后的陶瓷氧化鋯膜進(jìn)行100℃熱處理，干燥時(shí)間72 h，自然冷卻至室溫。

1.3 表征方法見(jiàn)表1

表1 改性前后陶瓷氧化鋯膜表征方法與設(shè)備原理

2 結(jié)果與分析

2.1 疏水氧化鋯膜接觸角

選材氧化鋯陶瓷膜作為基膜進(jìn)行改性，是基于其本身具有疏松的多孔結(jié)構(gòu)和高親水性，加之其較高的表面能，通過(guò)低表面能的三甲基氯硅烷改性后，加強(qiáng)了基膜微孔結(jié)構(gòu)的疏水效果，水滴能夠停留在疏水膜表面，形成“荷葉效應(yīng)”，使得接觸角高達(dá)140°以上（見(jiàn)圖1），由此可見(jiàn)基膜的親水性已轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷阅樱浔砻嫘再|(zhì)也有較大改善。

圖1 疏水氧化鋯膜表面的水接觸角

2.2 氧化鋯陶瓷膜改性前后的SEM照片見(jiàn)圖2

圖2 氧化鋯陶瓷膜改性前后的SEM照片

從圖2中可以看出，改性前后膜表面的孔的結(jié)構(gòu)大小基本沒(méi)有發(fā)生變小，還是多孔膜結(jié)構(gòu)。

2.3 氧化鋯陶瓷膜表面改性前后的熱重分析見(jiàn)圖3

由圖3可見(jiàn)，改性前的氧化鋁陶瓷膜失重相對(duì)穩(wěn)定，在1 100℃內(nèi)基本無(wú)質(zhì)量損失，對(duì)比經(jīng)過(guò)硅烷化改性的陶瓷膜在150℃左右因水分揮發(fā)發(fā)生了質(zhì)量損失，且在350～500℃間發(fā)生明顯失重，對(duì)比說(shuō)明改性后的陶瓷膜表面形成的硅烷偶聯(lián)劑分解放熱引起的質(zhì)量損失。

2.4 改性時(shí)間與接觸角度關(guān)系見(jiàn)表2

表2 改性時(shí)間與接觸角度關(guān)系

由表2可見(jiàn)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，接觸角呈增加趨勢(shì)，浸漬24小時(shí)后，接觸角趨近于最大且隨著改性時(shí)間延長(zhǎng)，接觸角并未明顯增加，呈平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，說(shuō)明改性時(shí)間最佳為24小時(shí)。

2.5 氧化鋯膜改性前后的表面化學(xué)性質(zhì)

對(duì)疏水改性的氧化鋯膜表面進(jìn)行了紅外光譜分析見(jiàn)圖4。

圖4 氧化鋯膜改性前（a），氧化鋁鋯改性后（b）

圖4可見(jiàn)，紅外光譜儀分析結(jié)果，改性后氧化鋯膜表面是三甲基氯硅烷的特征峰，證明已拉接枝上。

3 氧化鋯陶瓷疏水改性膜在廢潤(rùn)滑油回收利用

實(shí)驗(yàn)用上海利科公司的廢潤(rùn)滑油，考察了氧化鋯膜改性前后的通量變化，用自制的油水分離設(shè)備，自制的19孔平均孔徑50 nm的氧化鋯膜改性前和改性后的各一支做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件，跨膜壓差0.1 MPa、膜面流速1.3 m/s，改性前膜通量為50 L/m2·h，改性后膜的滲透通量可以穩(wěn)定在180 L/m2·h，獲得的水截留率均在98%以上，可以回收廢潤(rùn)滑油。

4 結(jié)論

采用三甲基氯硅烷作改性劑，對(duì)平均孔徑50 nm氧化鋯陶瓷膜進(jìn)行疏水改性，配制0.02 mol/L的三甲基氯硅烷溶液，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液的PH值為4，浸漬24 h，150℃烘干2 h，得到接觸角大于140°的高疏水改性膜。用TGA、SEM、FTIR(紅外)來(lái)表征疏水改性膜，并考察了疏水改性膜在廢潤(rùn)滑油中脫水的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，跨膜壓差0.1 MPa、膜面流速1.3 m/s，滲透通量可以穩(wěn)定在180 L/m2·h，獲得的水截留率均在98%以上，可以用作回收廢潤(rùn)滑油。