氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的制備及其油水分離應(yīng)用

楊娜，洪玉，趙嘉雨，愛堅(jiān)·多爾昆，巫采芩，楊少林

（北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

由于工業(yè)含油廢水的不斷增加和石油泄漏的頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境，因而油水分離技術(shù)的研究越來越受到人們的重視[1-2]。膜過濾技術(shù)由于其成本低，操作簡單，高效率與生態(tài)友好性被認(rèn)為是處理含油水廢水最合適的方法。一種理想的過濾膜應(yīng)具有對(duì)油水相應(yīng)選擇性的特殊潤濕性，以及優(yōu)越的柔韌性，使其能夠承受身體的沖擊[3]。

相比于親油疏水膜，親水疏油膜由于其抗污性和可分離常見的輕油水混合物，因而受到更廣泛的應(yīng)用[4]。目前，人們通過電沉積、水熱反應(yīng)、真空過濾和噴涂等方法在多孔基質(zhì)上涂覆金屬氧化物、聚合物、氧化石墨烯和復(fù)合材料制備出了多種水下超疏油膜[5-7]。然而，這些方法大多存在工藝復(fù)雜、使用有毒試劑和特殊設(shè)備等問題。

本文擬制備氧化石墨烯-棉纖維過濾膜，表征其材料形貌，研究其油水分離效率、循環(huán)利用性等。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的制備

將0.3 g木棉纖維平鋪于Ф60 mm的濾芯上，并將其夾在濾杯和濾芯之間。倒入50 mL的3 mg/mL的氧化石墨抽濾，干燥后便得到氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜。

1.2 材料表征

用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（JSM-6700F，JEOL）對(duì)材料形貌進(jìn)行表征分析。用光學(xué)接觸角測量儀（中國POWEREACH JC200D2）測量接觸角。

1.3 油水分離

油水分離裝置是用夾子將過濾膜夾在兩個(gè)石英管之間固定而成的。先用水預(yù)濕過濾膜，再將質(zhì)量比為1∶1的水/油混合物慢慢倒入上管，燒杯在下方接濾出的水。分離效率根據(jù)公式η=m2/m1×100%計(jì)算，其中m1，m2為油或水在混合前和分離后的重量。

2 結(jié)果與討論

圖1a展示了氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜，可以看出氧化石墨烯涂敷于木棉表面，干燥后形成致密的過濾膜。圖1b所示是空氣中空白木棉表面的水接觸角高達(dá)137°且近似球形，體現(xiàn)了空白木棉本身具有的疏水性。圖1c顯示出氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的水接觸角為零，說明氧化石墨烯涂層賦予過濾膜超強(qiáng)的親水性。圖1d顯示水下二氯甲烷在氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的接觸角，120.5°的水下油接觸角體現(xiàn)了過濾膜在水下的良好疏油性。

圖1 a.木棉過濾膜；b.空氣中水與木棉表面接觸；c.木棉過濾膜表面的水滴；d.木棉過濾膜表面的油滴

圖2展示了空白木棉和氧化石墨烯-木棉纖維掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。圖2a顯示空白木棉纖維呈現(xiàn)出不規(guī)則的帶條狀、表面光滑的結(jié)構(gòu)；從圖2b可以明顯看出氧化石墨烯沉積于木棉纖維表面，表面的孔洞將有利于水的選擇性通過。

圖2 a.空白木棉和b.氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的SEM圖像

由于氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜具有親水-水下疏油性質(zhì)，因此有望應(yīng)用于油水混合物的分離。如圖3所示，將過濾膜夾在兩個(gè)石英管之間，當(dāng)煤油和水的混合物倒入上管后，幾秒內(nèi)水全部流過濾膜，分離出的水中看不到一絲紅色的油，而煤油卻留在了濾膜上，說明過濾膜較好的油水分離效果。

圖3 a.油水未分離前；b.油水分離中；c.油水分離后的照片

為了驗(yàn)證氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的油水分離能力，我們測試了苯、正己烷、石油醚、正庚烷和煤油等油與水混合物的分離效率。如圖4a所示，分離膜所有的油水混合物都表現(xiàn)出97%以上的分離效率。為了驗(yàn)證氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的可循環(huán)利用性，我們將煤油/水混合物的油水分離實(shí)驗(yàn)重復(fù)了十幾次，每次分離后僅僅將分離膜用水清洗。如圖4b所示，在整個(gè)分離過程中，分離效率都保持在96%以上，說明分離膜很好的循環(huán)利用性。此外，整個(gè)分離過程中的流量幾乎都保持在4×104L/（m2h）以上，說明氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜較好的抗污性能。

為進(jìn)一步衡量氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜的實(shí)用性能，我們測試了它對(duì)各種油的滲透壓。滲透壓是指用水預(yù)濕的過濾膜能承受的最大油壓強(qiáng)，可通過公式Δp=ρghmax來計(jì)算，其中g(shù)是重力加速度，ρ是油的密度，hmax是過濾膜能承受的油的最大高度。如圖4所示，氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜對(duì)所有油都表現(xiàn)出了超過0.7 kPa的滲透壓，說明其具有一定實(shí)用性。

圖4 a.不同油的分離效率；b.煤油的分離效率隨分離次數(shù)的變化；c.煤油的流量隨分離次數(shù)的變化；d.不同油的滲透壓

3 結(jié)論

以木棉纖維為基體，沉積氧化石墨烯，制備了氧化石墨烯-木棉纖維過濾膜。該膜具有97%以上的油水分離效率、優(yōu)越的抗污性能以及循環(huán)分離過程中的超高流量。