3D打印親油疏水多孔膜分離效率的影響因素

于 航 張宏哲 臧永喜 馬春陽

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

原油泄漏和含油工業(yè)污水排放現(xiàn)象頻發(fā)，使得生態(tài)環(huán)境頗受影響，含油廢水污染的治理已迫在眉睫［1～3］。 膜分離法因分離過程能耗低、分離裝置簡單易設(shè)計等優(yōu)點已成為油水分離常用的方法之一，但分離效果因材料限制不盡如人意。 因此，具有親油疏水性能的材料備受關(guān)注［4～6］。 親油疏水多孔材料的制備方法需要繁瑣的步驟才能構(gòu)建微米結(jié)構(gòu)［7～9］，基于目前加工制備方法得到的親油疏水膜疏水孔不均且機(jī)械性能較差，因此需要提出新的制備方法［10］。

3D打印技術(shù)作為一種精確且綠色安全的增材方法，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)［11～15］，但迄今為止鮮有人將3D打印技術(shù)應(yīng)用于親油疏水性多孔膜的制備過程中，而將該方式應(yīng)用于上述材料制備的研究則更少。 為此，筆者提出利用3D打印技術(shù)完成親油疏水性多孔膜的制備，并通過實驗探究親油疏水多孔膜的油水分離效果及不同因素對親油疏水多孔膜分離效果的影響。

1 實驗

1.1 親油疏水多孔膜的制備

通過3D打印機(jī)制備親油疏水多孔膜的工藝流程如圖1所示。 首先，將配置好的膠液注入膠液儲存管并將儲存管安裝在3D打印機(jī)上，配置膠液所需試劑列于表1；然后，微型打印孔針隨著預(yù)先的設(shè)定進(jìn)行x、y、z方向的運(yùn)動，膠液由儲存管從微型打印孔針擠出，擠出形成的細(xì)絲落在特殊處理過的玻璃基底上；最后，打印完成的親油疏水多孔膜在120℃下固化1h，冷卻后即可剝離。

圖1 3D打印機(jī)制備親油疏水多孔膜的工藝流程

表1 配置膠液所需的試劑

通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察已制備的親油疏水多孔膜如圖2所示，SEM圖顯示膜表面空隙大小基本相等且分布均勻。

圖2 親油疏水多孔膜SEM圖

1.2 油水分離實驗

將正己烷、石油醚、硅油、煤油、玉米油和大豆油這6種常見的油水混合物作為污染物進(jìn)行實驗，根據(jù)實驗要求設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 油水分離實驗裝置

實驗時， 油與水按等體積混合后置于燒杯中， 并采用磁力攪拌器攪拌該混合液體。 靜置30min后，混合液體穩(wěn)定。而后將3D打印制備的親油疏水多孔膜與吸管連接， 并置于油水混合物中。 用醫(yī)用注射器從吸管另一端抽氣，從而實現(xiàn)油水分離。 實驗過程采用BS210型電子分析天平對實驗裝置進(jìn)行稱重， 從而確定水的質(zhì)量變化，然后利用水的質(zhì)量變化計算油水分離效率R：

式中 M1——實驗用水的質(zhì)量；

M2——分離前實驗裝置的質(zhì)量；

M3——分離后實驗裝置和水的總質(zhì)量。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 多孔膜對不同種類油水混合物的分離效果

6種油水混合物的油水分離實驗結(jié)果如圖4所示。 由圖4可知，該親油疏水多孔膜對這6種油水混合物的分離效率皆達(dá)到85%以上， 其中汽油類的代表物正己烷和石油醚，兩種油水混合物的分離效率均達(dá)到99%以上；因玉米油、大豆油、煤油和硅油與水混合后， 其混合液體呈半乳化狀態(tài)，故分離相對較難，即便如此，這4種混合物的分離效率也基本超過85%。

圖4 6種油水混合物的油水分離實驗結(jié)果

實驗中使用的是相同的多孔膜但分離效果卻存在差異，這是因為正己烷和石油醚屬于疏水性液體，其親油性強(qiáng)，所以它們與多孔膜的親和力較強(qiáng)，因此分離效果更佳。 而對于半乳化狀態(tài)的油類物質(zhì)來說，與親油疏水多孔膜的親和力較弱，不易穿過多孔膜實現(xiàn)分離。 因此，親油疏水多孔膜對于大豆油、玉米油、煤油和硅油的分離效率較低。

2.2 多孔膜對不同酸堿度油水混合物的分離效果

實際生產(chǎn)生活中， 油水污染物因摻雜其他物質(zhì)會導(dǎo)致其酸堿度有所不同， 有必要研究多孔膜對不同酸堿度的同一種油水混合物的分離效果。實驗過程中， 對不同pH值的正己烷油水混合物進(jìn)行多孔膜分離實驗測試，實驗步驟同上，實驗前需利用不同化學(xué)物質(zhì)將水溶液調(diào)制為不同的酸堿度，而后與正己烷等比例混合，實驗結(jié)果如圖5所示。 由圖5可以看到，3D打印親油疏水多孔膜對不同酸堿度的油水混合物均呈現(xiàn)較高的分離效率，其平均分離效率為97.3%。 由此可見，酸堿度不同并未對多孔膜的油水分離效果產(chǎn)生顯著影響，即便是極強(qiáng)性的酸堿溶液其分離效果依然出色。

圖5 多孔膜對不同酸堿度油水混合物的分離效率

2.3 不同孔徑多孔膜對油水混合物的分離效果

在其他條件相同的情況下，制備不同孔徑的多孔膜進(jìn)行分離實驗，結(jié)果如圖6所示。 由圖6可以看出，隨著孔徑的增大，親油疏水多孔膜的滲透通量持續(xù)呈正比例增加。 初始時親油疏水多孔膜對油水混合物的分離效率隨孔徑的增大處于緩慢增長狀態(tài)；當(dāng)孔徑達(dá)到0.4mm時，分離效率達(dá)到最高；超過0.4mm后達(dá)到0.5mm之前，分離效率緩慢下降； 但當(dāng)孔徑超過0.5mm后分離效率快速下降。 這是因為多孔膜孔徑增大，油水混合物流經(jīng)孔時的阻力減小， 所以膜的滲透通量隨之增加。 然而，多孔膜孔徑的增加將導(dǎo)致油水混合物流速加快，多孔膜無法及時將油水分離，從而使得多孔膜對油水混合物的分離效率快速下降。 綜上所述，3D打印親油疏水多孔膜的孔徑在0.4mm時，多孔膜的分離效率最佳，實際應(yīng)用時應(yīng)盡量選擇該尺寸。

圖6 不同孔徑的多孔膜對滲透通量和油水分離效率的影響

2.4 不同層數(shù)多孔膜對油水混合物的分離效果

在保證其他條件相同的情況下，利用3D打印機(jī)分別制備不同層數(shù)的多孔膜，并進(jìn)行油水分離實驗，結(jié)果如圖7所示。 由圖7可以看出，當(dāng)多孔膜為2、4、6層時，油水混合物的分離效率維持在99%以上；當(dāng)多孔膜層數(shù)繼續(xù)增加，直到8層時，多孔膜對油水混合物的分離效率開始有所降低；當(dāng)多孔膜為10層時，多孔膜對油水混合物的分離效率快速下降，僅為93%。 由此可見，3D打印親油疏水多孔膜的層數(shù)為2、4、6層時，分離效果較好。 多孔膜層數(shù)高時分離效率低是因為隨著層數(shù)的增加，膜中間殘留的液體增加，導(dǎo)致計算得到的分離效率降低；而層數(shù)太少則會導(dǎo)致膜的機(jī)械強(qiáng)度降低，出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，所以實際應(yīng)用時宜選擇4、6層的多孔膜。

圖7 不同層數(shù)的多孔膜對油水分離效率的影響

3 結(jié)束語

利用3D打印技術(shù)制備親油疏水多孔膜并使用該膜對多種油水混合物進(jìn)行分離實驗，探究影響多孔膜分離效率的內(nèi)因和外因。 實驗結(jié)果顯示：3D打印親油疏水多孔膜對多種油水混合物分離效率達(dá)到85%以上， 對疏水性液體分離效果更佳；油水混合物酸堿度對多孔膜分離效率幾乎無影響；多孔膜孔徑對其分離效率影響較大，孔徑為0.4mm時分離效率達(dá)到最高； 膜層數(shù)對分離效率影響甚微， 但為了保證膜強(qiáng)度滿足使用要求，實際生產(chǎn)中宜選用4、6層的多孔膜。