一种超疏水沙粒及其制备方法与应用

1.本发明涉及表面涂层技术领域，特别涉及一种超疏水沙粒及其制备方法与应用。


背景技术：

2.原始的沙粒由于具有亲水特性，使得沙漠中的水储存变得极其困难。水资源的缺乏使得沙漠中的生存环境十分恶劣。沙漠覆盖了地球大约三分之一的面积，沙漠中的沙粒成为最丰富的自然资源之一。因此，如何改善沙粒的表面亲疏水性能，对于实现沙漠沙粒的资源化再利用具有重要经济价值。
3.此外，频发的海洋溢油事故导致大量的油类物质漂浮在海洋表面，形成大量油水混合物，造成了严重的海洋环境污染，严重影响海洋生物和人类的生存发展。因此，如何实现油水混合物的高效分离也是一个亟待解决的难题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明旨在提供一种超疏水沙粒及其制备方法与应用。
5.本发明的技术方案如下：一方面，提供一种超疏水沙粒的制备方法，包括以下步骤：对沙粒进行清洗、烘干，获得干净的沙粒；对所述干净的沙粒进行表面正电修饰，得到带正电的沙粒；将所述带正电的沙粒浸渍在聚四氟乙烯胶体颗粒悬浮液中，得到具有ptfe纳米颗粒涂层的沙粒；对所述具有ptfe纳米颗粒涂层的沙粒进行热处理，使所述ptfe纳米颗粒涂层转变为ptfe纳米纤维涂层，得到所述超疏水沙粒。
6.作为优选，对沙粒进行清洗时，将沙粒浸泡在纯水或乙醇中，利用超声和搅拌进行清洗。
7.作为优选，对沙粒进行表面正电修饰时，将沙粒浸渍在正电改性溶液中进行表面正电修饰。
8.作为优选，所述正电改性溶液的阳离子聚电解质为聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡啶中的任意一种或多种。
9.作为优选，当所述正电改性溶液的阳离子聚电解质为聚二烯丙基二甲基氯化铵时，所述正电改性溶液由0.03wt%-0.3wt%的聚二烯丙基二甲基氯化铵和0.01mol/l-0.1mol/l的氯化钠组成。
10.作为优选，所述聚四氟乙烯胶体颗粒悬浮液中聚四氟乙烯胶体颗粒的质量分数为1%-20%。
11.作为优选，所述聚四氟乙烯胶体颗粒悬浮液中聚四氟乙烯胶体颗粒的粒径为50nm-1000nm。
12.作为优选，对所述具有ptfe纳米颗粒涂层的沙粒进行热处理时，将沙粒依次进行干燥处理和烧结处理，所述干燥处理的干燥温度为50℃-100℃，干燥时间为30-120min；所述烧结处理的烧结温度为340℃-420℃，烧结时间为30-120min。
13.另一方面，还提供一种上述任意一项制备方法所制备的超疏水沙粒。
14.再者，还提供一种上述所述超疏水沙粒在油水分离或沙漠储水中的应用。
15.本发明的有益效果是：本发明的制备方法简单，制得的改性沙粒具有超疏水性能，且其还具有耐腐蚀和耐高温的特性，能够在油水分离和沙漠储水等领域中进行广泛的应用。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明超疏水沙粒的制备过程示意图；图2为实施例1改性沙粒表面ptfe纳米纤维涂层的扫描电子显微镜图像，其中图2(a)为50μm下的沙粒电子显微镜图像，图2(b)为10μm下的沙粒电子显微镜图像；图3为实施例1改性沙粒疏水性能测试结果示意图，其中图3(a)为沙粒疏水实验现象示意图，图3(b)为沙粒的接触角测试结果示意图；图4为实施例2和实施例3改性沙粒接触角测试结果示意图，其中图4(a)为实施例2测试结果，图4(b)为实施例3测试结果；图5为实施例1改性沙粒储水测试结果示意图，其中图5(a)为未处理沙粒水渗透结果示意图，图5(b)为处理后的沙粒水渗透结果示意图，图5(c)为超疏水沙粒的储水测试结果示意图，图5(d)为未处理沙粒水渗透原理示意图，图5(e)为处理后的沙粒水渗透原理示意图；图6为实施例1改性沙粒油水分离测试结果示意图，其中图6(a)为油水分离准备示意图，图6(b)为油水混合物倾倒过程示意图，图6(c)为油水混合物倾倒完成示意图，图6(d)为油水分离完成结果示意图，图6(e)为油水分离原理示意图，图6(f)为超疏水沙粒厚度与渗透通量的关系示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
19.一方面，如图1所示，本发明提供一种超疏水沙粒，所述超疏水沙粒采用以下步骤制备而成：s1：对沙粒进行清洗、烘干，获得干净的沙粒。
20.在一个具体的实施例中，通过不锈钢筛分得到粒径为50-300μm的沙粒；在沙粒中加入适量的纯水，超声搅拌（超声功率：80-200w；搅拌速度：100-1000rpm）10-20min，从而去除沙粒表面的有机污染物，得到干净的沙粒。
21.需要说明的是，上述清洗方法仅为一个优选的实施例方案，现有技术中其他去除沙粒表面有机污染物的清洗方法也可适用于本发明。
22.s2：对所述干净的沙粒进行表面正电修饰，得到带正电的沙粒。
23.在一个具体的实施例中，将沙粒浸渍在正电改性溶液中进行沙粒表面正电修饰。可选地，所述正电改性溶液的阳离子聚电解质为聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡啶中的任意一种或多种。
24.在一个具体的实施例中，所述的正电改性溶液为聚二烯丙基二甲基氯化铵/氯化钠（pdda/nacl）混合液。优选地，pdda浓度为0.03wt%-0.3wt%，nacl浓度为0.01mol/l-0.1mol/l。优选地，浸渍时间为5-10min。
25.s3：将所述带正电的沙粒浸渍在聚四氟乙烯胶体颗粒悬浮液中，得到具有ptfe纳米颗粒涂层的沙粒。
26.在一个具体的实施例中，所述聚四氟乙烯胶体颗粒悬浮液中聚四氟乙烯胶体颗粒的质量分数为1%-20%，粒径为50nm-1000nm，溶剂为乙醇-水溶液，其中乙醇的质量分数为0%-20%。优选地，浸渍时间为10-100min。
27.s4：对所述具有ptfe纳米颗粒涂层的沙粒进行热处理，使所述ptfe纳米颗粒涂层转变为ptfe纳米纤维涂层，得到所述超疏水沙粒。
28.在一个具体的实施例中，对所述具有ptfe纳米颗粒涂层的沙粒进行热处理时，将沙粒依次进行干燥处理和烧结处理，所述干燥处理的干燥温度为50℃-100℃，干燥时间为30-120min；所述烧结处理的烧结温度为340℃-420℃，烧结时间为30-120min。
29.本发明所述超疏水沙粒，在制备时，清洗后的原始沙粒表面为负电位，将其浸泡在正电改性溶液中，能够使沙粒表面变为正电位，然后将其浸渍在聚四氟乙烯胶体颗粒悬浮液中，表面带负电位的聚四氟乙烯胶体颗粒在静电引力、界面张力和双电层力的综合作用下，自发地组装到沙粒表面，在沙粒表面形成ptfe纳米颗粒涂层，经过热处理后，使颗粒涂层转化成纤维涂层，牢固的固结在沙粒的表面，利用ptfe纳米纤维涂层的特性，使得改性后的沙粒具有超疏水性、耐腐蚀性以及耐高温性能。
30.另一方面，本发明还提供一种上述所述超疏水沙粒在油水分离或沙漠储水中的应用。
31.实施例1（1）通过不锈钢网筛分得到粒径50-300μm的沙粒，加入适量的纯水，超声搅拌20min（超声功率：100w；搅拌速度：500rpm），清洗、烘干。
32.（2）将清洗好的沙粒浸泡在pdda质量分数为0.032%，nacl浓度为0.05mol/l的混合溶液中进行正电修饰，浸泡时间为15min。随后取出在60℃的烘箱中进行干燥，时间为30min。
33.（3）配置ptfe分散液，以纯水为溶剂，配置质量分数6%的ptfe分散液（ptfe平均粒径200nm）。将正电修饰后的沙粒浸泡在ptfe分散液中，静置15min。随后将ptfe纳米颗粒包覆的沙粒取出在60℃烘箱中进行干燥，时间为30min。
34.（4）将ptfe纳米颗粒包覆的沙粒置于380℃的马弗炉中进行烧结，保温时间60min，之后随炉冷却至室温，获得表面被ptfe纳米纤维涂层包覆的沙粒。
35.实施例2
与实施例1不同的是，本实施例在步骤（2）中采用的正电改性溶液，其pdda的质量分数为0.1%。
36.实施例3与实施例2不同的是，本实施例在步骤（4）进行烧结时，采用的烧结温度为360℃。
37.实施例4与实施例2不同的是，本实施例在步骤（4）进行烧结时，采用的烧结温度为340℃。
38.实施例5与实施例2不同的是，本实施例在步骤（4）进行烧结时，采用的烧结温度为400℃。
39.实施例6与实施例2不同的是，本实施例在步骤（4）进行烧结时，采用的烧结温度为420℃。
40.实施例7与实施例1不同的是，本实施例在步骤（2）中采用的正电改性溶液，其pdda的质量分数为0.2%。
41.实施例8与实施例1不同的是，本实施例在步骤（2）中采用的正电改性溶液，其pdda的质量分数为0.3%。
42.实施例9与实施例1不同的是，本实施例在步骤（2）中采用的正电改性溶液，其阳离子聚电解质为聚乙烯亚胺。
43.实施例10与实施例1不同的是，本实施例在步骤（2）中采用的正电改性溶液，其阳离子聚电解质为聚乙烯吡啶。
44.测试例1对各实施例制备得到的超疏水沙粒进行接触角测试，各实施例制备得到的超疏水沙粒均表现出超疏水性能。其中，实施例1制得的沙粒的电子显微镜图像如图2所示，其中图2(a)为50μm下的沙粒电子显微镜图像，图2(b)为10μm下的沙粒电子显微镜图像。从图2可以看出，该沙粒的表面均匀分布有ptfe纳米纤维。实施例1制得的沙粒的接触角测试结果如图3所示，其中图3(a)为沙粒疏水实验现象示意图，图3(b)为沙粒的接触角测试结果示意图。从图3可以看出，实施例1制得的沙粒对于水的静态接触角为152.5
°
，具有超疏水性能。实施例2和实施例3制得的沙粒的接触角测试结果如图4所示，其中图4(a)为实施例2测试结果，图4(b)为实施例3测试结果。从图4可以看出，实施例2制得的沙粒对于水的静态接触角为150
°
，实施例3制得的沙粒对于水的静态接触角为150.3
°
，均具有超疏水性能。
45.测试例2对各实施例制备得到的超疏水沙粒进行储水性能测试，各实施例制备得到的超疏水沙粒均表现出优异的储水性能。其中实施例1的测试结果如图5所示和表1所示，其中图5(a)为未处理沙粒水渗透结果示意图，图5(b)为处理后的沙粒水渗透结果示意图，图5(c)为超疏水沙粒的储水测试结果示意图，图5(d)为未处理沙粒水渗透原理示意图，图5(e)为处理后的沙粒水渗透原理示意图。
46.表1 超疏水沙粒储水性能测试结果
沙粒层的厚度d/mm5101520储水层的高度h/mm155176184194 从图5可以看出，与未处理的沙粒相比，本发明实施例1得到的沙粒能够阻止水渗透到沙粒间孔隙中，从而实现沙漠储水的功能。从表1可以看出，所获得的超疏水沙粒的储水高度与沙粒层的厚度呈正相关，沙粒层越厚，所能承受的最大储水高度就越高。当所获得的超疏水沙粒层厚度为20mm时，最大储水高度可达194mm，展现出优异的沙漠储水性能。
47.测试例3对各实施例制备得到的超疏水沙粒进行油水分离测试，各实施例制备得到的超疏水沙粒均表现出优异的油水分离性能。其中实施例1的测试结果如图6所示，其中图6(a)为油水分离准备示意图，图6(b)为油水混合物倾倒过程示意图，图6(c)为油水混合物倾倒完成示意图，图6(d)为油水分离完成结果示意图，图6(e)为油水分离原理示意图，图6(f)为超疏水沙粒厚度与渗透通量的关系示意图。从图6可以看出，本发明实施例1获得的超疏水沙粒层能够在拦截水相的同时，允许油相自由通过，从而实现油水混合物的选择性分离。油水分离过滤通量高达24000 l/m2h左右，展现出高效的油水分离性能。
48.需要说明的是，除了上述实施例外，本发明还通过正交实验等制得了其他条件下的改性沙粒，例如改变聚四氟乙烯胶体颗粒的质量分数（1%、10%、15%、20%等）、改变热处理时的干燥温度（80℃、100℃等）等，各实验制得的改性沙粒均具有超疏水性能。
49.综上所述，本发明制备方法简单，制得的改性沙粒具有超疏水性能、以及具有良好的耐腐蚀性能和耐高温性能，与现有技术相比，本发明具有显著的进步。
50.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。