一种基于静电斥力的超高效分离油包水乳液的SMMP耦合系统

一种基于静电斥力的超高效分离油包水乳液的smmp耦合系统
技术领域
1.本发明属于油水分离技术领域，具体涉及一种新型的基于静电斥力的smmp耦合系统及其构建方法，用于超高效分离油包水乳液。


背景技术：

2.石油运输、医药、纺织印染、金属冶炼等行业排放的含油废水以及频繁发生的漏油事故已经成为全球最紧迫的环境污染问题之一。传统的分离技术，如撇油器、浮选和离心等，分离效率低、能源成本高，并且很难分离出液滴尺寸更小、更稳定的高度乳化的油包水乳液，因此能够有效地分离油水乳液的方法受到了人们的广泛关注，特别是表面活性剂稳定的油包水乳液的分离。
3.由于超润湿性材料具有自清洁和低耗能等优点，在油水分离领域中引起了极大的关注。专利cn106178599b公开了一种自清洁聚苯并噁嗪超疏水超亲油网膜，将滤布或金属滤网浸入到苯并噁嗪和纳米粒子溶液中，热固化后得到网膜材料。专利cn113926315a公开了一种高效油水分离膜的制备方法，在固体网膜上包覆亲油性聚合物材料，得到高效的疏水亲油材料。lin等人(j.mater.chem.a 2016,4(46),17970-17980)设计了一种聚二甲基硅氧烷(pdms)改性碳纳米纤维膜(cnfs)网络镶嵌不锈钢网，对表面活性剂稳定的油包水乳液具有超快分离性能，最高可达2970l m-2
h-1
。然而，仍然具有挑战性的是，当油迅速穿透膜时，水沉积并堵塞膜孔造成的不可逆膜污染导致油包水乳液分离性能的下降。导电纳米膜材料在超疏水/超亲水膜的防污性能方面显示了独特的优势，通过调节施加在膜表面的电势，不仅能保持高的油水分离性能，而且能大大增强膜的抗污染性能。anish tutega等人(adv.mater.2012,24(27),3666-3671.)开发了一种用于所有类型的油水混合物的膜分离装置，在施加电场的情况下，分离效率可高达99.9％。因此，将超润湿性和导电性相结合有望成为分离具有天然亲/疏水性和带电性的油包水乳液的有效方法。值得注意的是，上述膜的关键限制仍然存在，包括来自外部电场的能量消耗和对实际溢油处理的不便。
4.因此，本发明设计了一种具有高效分离油水混合物和防污性能的内驱静电力超亲油膜系统(smmp)，这为油水混合物分离领域提供了一条有效途径。具体而言，该smmp耦合系统由带有负电荷的磁性纳米粒子和内嵌带电磁性纳米颗粒的超亲油膜组成，利用其可调节内驱静电力和疏水特性，实现了超高效的油水分离性能，在实际环境如强碱、高盐、不同表面活性剂种类等恶劣条件下仍表现出增强的拒水性和油水分离性能。因此，smmp耦合系统可有效、经济地用于油包水乳液的分离，为实际环境中产生的复杂油水体系的高效分离提供了一种新型、有效的策略。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对目前油水分离材料分离通量低、能耗高、难以处理多种油包水乳液、膜材料易被污染等问题，提出一种基于静电斥力的smmp耦合系统，以实现油包水乳液的超高效快速分离。
6.为实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于静电斥力的smmp耦合系统，该系统由带有负电荷的磁性纳米粒子和内嵌带电磁性纳米颗粒的超亲油纳米纤维膜组成，其构建过程如下：
7.(1)将10-15gfe3o4纳米颗粒分散在100-200ml的超纯水中，超声15-30min。随后，在连续搅拌下，向混合物中加入10-20g柠檬酸钠，并在80℃下加热并剧烈搅拌3-6h后，用磁铁进行回收清洗，室温下干燥24h后得到fe3o4/柠檬酸钠纳米颗粒。将充分干燥的聚偏氟乙烯(pvdf)粉末和制备的fe3o4/柠檬酸钠纳米颗粒悬浮在n-n二甲基甲酰胺(dmf)溶液中，在50℃下搅拌6-10h，制得铸膜液。将铸膜液放入真空干燥箱中，室温，-0.099～0.090mpa条件下脱气1-3h。将脱气后的纺丝液注入10ml注射器内，固定在注射泵上，开启静电纺丝机，喷嘴平行于收集器，进行纺膜。纺膜完成后，将合成的内嵌带电颗粒的超亲油膜揭下置于真空干燥箱中常温干燥24-48h，得到内嵌带电磁性纳米颗粒的超亲油纳米纤维膜pvdf@fe3o4/柠檬酸钠。
8.(2)将fecl2·
4h2o和fecl3·
6h2o溶解在200-400ml的纯水中，在氮气的保护下搅拌直至完全溶解。随后，将氨水逐滴加入上述溶液中，直到溶液ph＝10，并在70-90℃下加热并剧烈搅拌15-60min，制得的fe3o4纳米粒子用去离子水洗涤数次。将制得的fe3o4纳米粒子分散在60-120ml的去离子水中，并超声15-30min，形成fe3o4纳米粒子悬浊液。将100-170ml无水乙醇，1-3ml氨水和15-30ml fe3o4纳米粒子悬浊液混合，超声处理15-30min，并在25-35℃氮气保护下剧烈搅拌，加入1-5ml正硅酸乙酯(teos)反应45-80min。反应完全后，滴加0.05-0.2ml十二烷基三甲氧基硅氧烷(kh-1231)继续反应5-7h。用磁铁收集反应生成的fe3o
4-teos@kh-1231纳米粒子，用乙醇清洗后置于真空干燥箱中室温干燥24h。
9.优选地，上面所述步骤(1)中，静电纺丝参数条件为：电压12-18kv，温度设置为20-30℃，湿度设置为50-65％。纺丝针头型号选择21g，针头流速1.5ml/h，针头与转鼓的距离为15-25cm，接收转鼓转速为100-200rpm。
10.优选地，上面所述步骤(1)中，pvdf的质量为纺丝液总质量的12-15wt.％，且fe3o4/柠檬酸钠纳米粒子的平均粒径为6-20nm，质量占纺丝液总质量的0-5wt.％。
11.优选地，上面所述步骤(1)中，fe3o4纳米粒子的平均粒径选择20-50nm，fe3o4纳米粒子质量比占纺丝液总质量的0-20wt.％。
12.本发明还包括smmp耦合系统在油包水乳液分离中的应用。典型地，将fe3o
4-teos@kh-1231纳米粒子与油包水乳液充分震荡混合形成pickering乳液，随后采用pvdf@fe3o4/柠檬酸钠膜分离装置对油包水乳液体系进行分离，fe3o
4-teos@kh-1231纳米粒子破乳后形成的油液透过膜，而水被截留。具体步骤如下：
13.将fe3o
4-teos@kh-1231纳米颗粒与油包水乳液充分震荡混合形成pickering乳液，将pvdf@fe3o4/柠檬酸钠膜材料固定于两个玻璃容器之间，将形成的pickering乳液快速倒入分离膜材料上端的玻璃管中进行分离，整个乳液分离过程在重力驱动下进行，油液通过膜流入到膜材料下面的玻璃容器中，实现油水乳液的分离。
14.为进一步探究smmp耦合系统具有良好的分离性能的原因，本发明对smmp耦合系统的zeta电位进行测量，并进一步通过comsol软件模拟得知其高效分离是源于fe3o
4-teos@kh-1231纳米颗粒和内嵌带电纳米颗粒超亲油膜之间的静电斥力作用。
15.与现有技术相比，本发明提出的一种基于静电斥力的超高效分离油包水乳液的
smmp耦合系统具有以下优点：
16.(1)本发明通过综合考虑油包水乳液的带电性和亲/疏水性，利用smmp耦合系统增强了其对乳液的破乳和分离性能，实现了相当显著的分离效果和优越的防污性能；
17.(2)本发明提供的smmp耦合系统具有内驱静电力，分离效率高、能耗小，更重要的是，可以广泛应用于具有各种ph值和表面活性剂条件的实际油包水体系中。
附图说明
18.图1为smmp耦合系统分离油包水乳液的实验示意图和分离效果图
19.图2为smmp耦合系统的静电斥力场域模拟图
具体实施方式
20.以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。
21.实施例1
22.将基于静电斥力的smmp耦合系统用于油包水乳液分离实验，并以内嵌带电纳米颗粒超亲油膜和pvdf膜为对照。油品选用甲苯，首先配制了体积比为98:2的span 80稳定的甲苯包水乳液，将膜置于油水分离装置中，并在重力驱动下进行油水乳液的分离。
23.分离性能如附图1所示，smmp耦合系统具有显著的分离效率，几乎能达到100％，分离通量为6.3
×
104l m-2
h-1
bar-1
，显著高于内嵌带电纳米颗粒超亲油膜2.4
×
104l m-2
h-1
bar-1
的分离通量和pvdf膜1.3
×
104l m-2
h-1
bar-1
的分离通量。相比其他膜系统，smmp耦合系统连续10个周期的循环分离通量也仍然保持在最高且最稳定的水平。同时，fe3o
4-teos@kh-1231纳米粒子可以稳定地回收，这也表明smmp耦合系统在分离油水乳液时具有很高的效率和稳定性。smmp耦合系统的超高效油水分离性能揭示了功能性带负电超亲油磁性纳米颗粒和嵌入磁性纳米颗粒的超亲油膜对提高smmp耦合系统高效分离油水乳液起着主导的作用。
24.实施例2
25.为了进一步探讨smmp耦合系统对油包水乳液具有良好分离效果的原因，以甲苯包水乳液为例，测定了smmp耦合系统中存在的关键组成，如油包水乳液、fe3o
4-teos@kh-1231纳米粒子、pickering乳液、内嵌带电纳米颗粒超亲油膜和pvdf膜的zeta电位，并进一步通过comsol软件对smmp耦合系统进行相应的电场模拟，如附图2所示。结果显示加入了fe3o
4-teos@kh-1231纳米粒子的pickering甲苯包水乳液的zeta电位从2.85mv变为了-28.13mv，从而形成了fe3o
4-teos@kh-1231纳米粒子包裹水滴的pickering甲苯包水乳液为源的电场。而且pickering甲苯包水乳液之间产生的静电斥力可以进一步抑制水滴聚结，提高了破乳效果。由于静电力与超润湿作用的同时存在，大大增强了smmp耦合系统的油水分离性能，这为油水乳液的高效、低耗能分离提供了高效方法。
26.总之，本发明采用基于静电斥力的smmp耦合系统实现了对不同油包水乳液的高效分离，可用于油水乳液的高效、低耗能分离。