[发明专利]一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法与应用

说明书

本发明属于油水分离、环境保护技术领域，公开提供了一种实现油水按需分离Janus膜材料及其制备方法。本发明使用低成本的方法在铜网上电沉积片状锌，采用简单的水热法在其上生长超亲水氧化锌(ZnO@Zn@Cu)，然后经过喷涂SiO2和十八硫醇的选择性修饰得到一侧超疏水，而另一侧展现出超亲水的Janus膜。这种不对称润湿性Janus膜可以实现油水混合物的按需分离，轻油重油油水混合物分离效率均保持在99.7％以上。并且Janus膜在经过50次砂纸打磨、酸碱腐蚀和循环测试后仍然保持超疏水性，表现出优异的耐久性。本发明提高了Janus膜的机械稳定性，改善了油水分离性能，且原材料价格低廉，来源广泛。

技术领域

本发明涉及一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法，特别是实现高油水混合物分离效率和按需分离，属于化工废水分离、环境保护技术领域。

背景技术

自然界中，在一些具有特殊结构的动植物身上(如荷叶、鱼鳞、甲壳虫)可以发生奇特的润湿现象，受此启发，专家们设计了各种微纳米结构的润湿性材料，用于自清洁、液滴操控、水雾收集和油水分离。其中，膜分离技术因其操作简单、高通量、高效率被认为是最有效的候选技术之一。然而传统分离膜的堵油、高能耗是油水分离领域的瓶颈。为此，研究人员制备了大量具有不对称润湿性的材料--Janus材料。由于在材料的两面具有不同的组成和性质，Janus材料具备一些独特的物理、化学和生物特性，在油水分离、雾水收集和液滴操控等领域引起广泛关注。

目前构造Janus膜的方法主要有两大类。其一，通过在膜两侧构建非对称结构的“层-层”制备法。其二，通过单面修饰或者选择性修饰的化学不对称修饰法。目前为止，人们已经开发了很多种方法来制备Janus膜，然而，随着社会的进步，人们在低成本环保、高效方面有了更多的需求，要获得具有截然相反的润湿性Janus材料仍然具有挑战性。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法，膜的两侧具有不对称润湿性。相比以Zn片为基底一步水热法，本发明以铜网作为基底两步法合成超亲水ZnO，不仅能够降低成本，还能有效调控网的孔径。再进行简单的SiO₂喷涂和ODT修饰，制备的Janus膜能在酸碱等艰苦环境下有效实现油水的按需分离,重油的分离效率99.8％以上，轻油的分离效率为99.7％以上。

目前很多润湿性膜一般具有单面润湿性，实现多种类型油水混合物具有一定的限制作用。随之而来的Janus膜因具备不对称润湿性，引起了学者们的广泛关注。为了实现水的定向运输以及高分离效率，有的研究者将Janus膜制备成两层不同结构，但其机械性能较差；而三层结构膜的制备比较复杂，同时也存在一定界面相容性问题。因此在提升膜的机械性能的同时，需兼顾膜的性能和分离效率，发明人以铜网材料作为基底，通过简单的沉积和水热反应，能保证膜的两面都呈超亲水，然后经过喷涂和修饰，得到不对称润湿性的Janus膜。

实现本发明目的的技术方案是：一种实现油水按需分离Janus膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)超亲水ZnO@Zn@Cu网的制备

将2.5×2.5cm²铜网依次用丙酮、乙醇和去离子水洗涤；将浓硫酸和一定浓度的ZnSO₄倒入烧杯中，并以洗净的铜网作阴极，铂片作阳极，设置电源为恒流输出模式，浸入该混合溶液中进行电沉积；然后配置Zn(NO₃)₂、NH₃·H₂O混合溶液，将镀锌后的铜网与上述溶液一并放置入反应釜中水热反应得到亲水的ZnO@Zn@Cu网；

(2)Janus膜的制备