[发明专利]一种仿蜘蛛网结构的亲水性油水分离膜的制备方法

说明书

本发明属于化工分离、环境保护技术领域，涉及一种仿蜘蛛网结构的亲水性油水分离膜的制备方法。本发明利用无机酸高温打断互相纠缠的多壁碳纳米管，得多壁碳纳米管分散液，将其离心分离后取上清液；按每升水加入2～5 g超长MnO₂纳米线计，将混合悬浮液搅拌5～24 h，将多壁碳纳米管分散液与超长MnO₂纳米线分散液按体积比1:3～5:1混合后搅拌，最后多壁碳纳米管/超长MnO₂纳米线混合液在已固定商业滤膜的真空抽滤装置内经真空抽滤获得仿蜘蛛网结构的油水分离膜，剥离亲水性滤膜干燥即得。通过超长MnO₂纳米线交织形成大孔径支撑网络，多壁碳纳米管与支撑网络互相交缠形成小的孔径网络结构，实现对蜘蛛网结构的有效模仿，达到增强多壁碳纳米管膜机械强度的目的。

技术领域

本发明属于化工分离、环境保护技术领域，涉及仿生结构的油水分离膜，特别涉及一种仿蜘蛛网结构的亲水性油水分离膜的制备方法。

背景技术

由于油与水表面张力的巨大差异，具有特殊润湿性的过滤膜成为处理油水混合物的先进手段。目前，这些膜中常用的是超疏水分离膜，可实现在油水混合物中对油的选择性渗透和吸收、排斥水的分离效果。但由于水的密度比油高，水倾向于在疏水膜表面形成阻挡层而阻止油的渗透。此外，这类膜很容易被选择性渗透的油污染甚至堵塞，导致分离效率快速下降。具有亲水性的分离膜可以选择性吸收渗透水而排斥油，这就有效避免阻挡层的形成，克服疏水性分离膜的缺陷。

碳纳米管是集多种性能于一体的一维材料，在能量存储和能量转换设备、传感器、高强度复合材料和催化剂载体等领域有着良好的应用前景。另外，碳纳米管固有的疏水性质使其成为油水分离中极有吸引力的候选物。由于成膜性好、加工性能优异，高分散性碳纳米管被广泛用于构建油水分离膜。然而，碳纳米管的昂贵价格严重阻碍了分离油/水混合物的大规模应用。而价格低廉且来源广泛的碳纳米管，特别是多壁碳纳米管，容易聚集而不利于成膜。同时，碳纳米管普遍存在着机械强度差的缺点。

为解决多壁碳纳米管易团聚、机械加工性能差的缺点，本发明利用无机酸高温氧化，将互相纠缠的多壁碳纳米管打断，降低纠缠度，实现多壁碳纳米管的有效分散。同时，该分散过程实现了对多壁碳纳米管的润湿性能改性，实现其从疏水性向亲水性的转变。因此，整个分散过程实现了多壁碳纳米管的分散和亲水改性，达到构建超亲水多壁碳纳米管膜的目的。

大自然中，蜘蛛通过先构建大孔的支撑网，然后在支撑网孔间填充短的蜘蛛丝获得小孔结构，最后取得提高强度与弹性、增强柔韧性的效果。这种支撑网-填充网复合的多级结构对实现昆虫的捕获提供了优异的机械基础。本发明利用超长MnO₂纳米线的交织形成大孔支撑网络，而分散的多壁碳纳米管填充在支撑网络内，实现模仿蜘蛛网多级结构的效果，实现增强碳纳米管膜机械性能的目的。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明目的在于克服多壁碳纳米管易自团聚、机械加工性能差、成膜后机械强度低的缺陷，提供一种工艺简单、成本低、操作简单以及可大规模生产的仿蜘蛛网结构的亲水性油水分离膜的制备方法。

技术方案：

本发明利用无机酸高温打断互相纠缠的多壁碳纳米管，实现多壁碳纳米管的有效分散和亲水改性；同时分散的多壁碳纳米管与超长MnO₂纳米线的复合，构建具有仿蜘蛛网结构的亲水性分离膜，克服传统碳纳米管膜机械强度低的缺点。

一种仿蜘蛛网结构的亲水性油水分离膜的制备方法，包括如下步骤：

a）多壁碳纳米管的分散液：将多壁碳纳米管加入无机酸中混合均匀，100～160℃反应2～6 h，所得多壁碳纳米管以去离子水冲洗至洗脱液pH中性，60～90℃真空干燥2～5h；高温氧化后的多壁碳纳米管加入水中混合得黑色液体，超声震荡5～12 h，得多壁碳纳米管分散液；

b）多壁碳纳米管的分散液的提纯：多壁碳纳米管分散液离心提纯，取上清液得完全分散的多壁碳纳米管分散液；