[发明专利]水下疏油/油下疏水可切换的油水分离材料及其制备方法

说明书

本发明公开的水下疏油/油下疏水可切换的油水分离材料是由酚类化合物改性并由有机配体和金属离子生成的化合物自组装形成的微纳米结构附着于多孔网状基底材料表面组成，该材料在空气中水接触角为0～155°，在水中油接触角大于90°且在油中水接触角大于90°，其既能用于过油阻水又能用于过水阻油来分离油水混合物。本发明还公开了其制备方法。本发明公开的油水分离材料既能满足在不同类型油水体系中的水下疏油和油下疏水的切换，且分离油水50个循环后，分离效率还可以高于98.55％，加之采用的原料来源广泛、价格低廉，不仅绿色环保，可以降低成本，且更易于扩大生产，便于推广应用。

技术领域

本发明属于油水分离材料及其制备技术领域，具体涉及一种水下疏油/油下疏水可切换的油水分离材料及其制备方法。

背景技术

随着社会的快速发展，人们对于化学制品的需求量日益增加，这极大地促进了化工及材料行业的快速发展。然而，化工及材料行业的快速发展也使得化工原料的泄漏事故也日益增多，尤其是含卤素有机溶剂进入水体后因其密度大于水而位于在水体下层，使得其无法通过传统的吸附法或自然挥发的方式进行去除。这些位于水体下层的有机试剂会造成严重的水体和土壤污染。与此同时，在海上原油运输过程中频发的泄漏事故也不仅造成了水体和土壤污染，还带来了巨大的能源浪费。目前，过油阻水和过水阻油是用于含油废水处理的两大类材料之一。过油阻水材料主要被用于含重油(密度大于水)废水处理，而过水阻油主要应用于含轻油(密度小于水)废水处理。

过油阻水和过水阻油材料均是利用材料表面对油或水的相反润湿性，即亲水疏油性、亲油疏水性、水下疏油和油下疏水等性能。其中实现亲水疏油通常需要具有低表面能的长链含氟硅氧烷改性，亲油疏水性则需要含氟磺酸钠等物质的改性，这些物质不仅价格昂贵且具有一定生物毒性，对环境存在潜在威胁。而水下疏油和油下疏水性是通过水或油润湿来提供相异的润湿性，也是实现过水阻油和过油阻水的有效手段。

在一个给定的油水体系中，水下油接触角和油下水接触角之和理论上等于180°，即水下疏油和油下疏水性是热力学不稳定状态，因此无法通过常规方法同时获得油下疏水且可水下疏油的材料。但是同时具备水下疏油性和油下疏水性可使得材料能够应用于各种类型的含油废水的处理，即可过水阻油亦可过油阻水从而实现含油废水的可切换分离。目前已经报道的在同一油水体系中能同时实现水下疏油和油下疏水性的材料通常在空气中通常表现为亲水性且制备过程繁琐。如Tian等(TianX,JokinenV,Li J,Sainio J,RasRH.Unusual dual superlyophobic surfaces in oil-water systems:Thedesignprinciples[J].AdvancedMaterials,2016,28(48):10652-10658.)通过等离子刻蚀，制备了水下疏油和油下疏水阵列的材料，并从理论上证明了该阵列材料需要满足在空气中水接触角在56～74°之间就可实现水下疏油和油下疏水性。然而该材料仅适用于一个特定的油水体系，当油水体系更换后需要重新修饰才可再次实现水下疏油和油下疏水性。Kang及其合作者(KangL,WangB,ZengJ S,ChengZ,Li JP,XuJ,GaoWH,ChenKF.Degradabledual superlyophobic lignocellulosic fibers for high-efficiency oil/waterseparation[J].Green Chemistry,2020,22(2):504-512.)采用三聚氰胺甲醛树脂改性木质素制备了同时具有水下疏油和油下疏水性材料，其在空气中具有超亲水性(水接触角近似等于0°)。Wu等(Wu M,Shi G,Liu W,Long Y,Mu P,Li J.A universal strategy for thepreparation of dual superlyophobic surfaces in oil–water systems[J].ACSApplied MaterialsInterfaces,2021,13(12):14759-14767.)采用山软木、黄土、二氧化钛和十八烷基三氯硅烷为原料制备了油下疏水和水下疏油的材料，并用于含油废水净化，然而，其使用循环性较差，且仍然无法避免使用昂贵且具有强腐蚀性的硅氧烷。综上所述，目前已经报道的在同一油水体系中同时具有水下疏油和油下疏水性的材料，通常需要在空气中满足亲水性，且存在制备过程复杂、产物循环使用性差、需使用昂贵剧毒或腐蚀性试剂、通常不能适应多种油水体系以及不能将方法拓展于更多基材等问题。因此，亟需找到一种经济成本低、绿色环保、可适用于多种基材以用于过水阻油和过油阻水可切换分离油水的水下疏油和油下疏水材料的制备方法且制备的材料在空气中具有宽的亲疏水性，以满足不同类型含油废水净化处理。