2015, Vol. 29引用本文 |
| 聚酚胺/二氧化硅复合不锈钢网的制备及在油水分离中的应用 |  [PDF全文] |
2. 山大华特卧龙学校, 山东 沂南 276300
2. Shanda Huate Wolong School, Yinan 276300, China
餐饮废水是在餐厨垃圾中的含油污水, 其动植物油脂含量远远超过污水排放标准[1]。随着国家对可持续发展战略的不断重视, 随着民众对生活环境的关注, 餐饮废水的科学处理和有效利用越来越受到重视。2013年中国消耗食用油脂约3000万t, 其中15%约450万t成为餐饮废水[2]。然而到目前为止, 餐饮废水中的油并未得到有效利用, 大部分餐饮废水除简单地从餐饮泔水上层打捞外[3-4], 还没有一种较理想的分离方法。
近年来, 通过材料表面微观结构和化学组成的共同作用而得到的特殊浸润性表面研究引起了广泛的关注[5-6]。油水分离的本质是界面问题, 通过设计材料表面的特殊浸润性, 得到超疏油或者超疏水的分离材料[7-8], 无疑是提高其油水分离性能最有效的手段, 利用材料表面特殊浸润性进行油水分离[9], 也成为当前材料科学研究的一个热点方向。
利用富含酚羟基的聚酚胺修饰铁丝网, 通过二氧化硅体提供粗糙结构[10], 在不锈钢网表面修饰疏水或疏油材料[11], 制备油水分离网膜, 并对其将油水分离性能进行研究。结果发现, 两种方法制备的不锈钢网都具有良好的油水分离性能。
1 实验部分 1.1 实验材料邻苯二酚, 己二胺, 十八胺, 四乙烯五胺, 全氟辛酸, 正硅酸乙酯, 氨水, 乙醇, 花生油, 苏丹红, 亚甲基兰等。
1.2 制备过程 1.2.1 二氧化硅制备单分散的二氧化硅微球采用Stober方法制备[12-13]。具体实验步骤为:将10 mL乙醇和30 mL浓氨水加入洗净的100 mL烧瓶中, 电磁搅拌10 min后, 加入10 g正硅酸乙酯, 反应进行4 h后离心分离、水洗、乙醇洗涤, 最后将所得到的二氧化硅微球保存在乙醇中备用。
1.2.2 制备聚酚胺/二氧化硅修饰铁丝网将制备的二氧化硅微球分散到浓度0.1 mol/L的邻苯二酚和己二胺的溶液(摩尔比为1:1) 中, 磁力搅拌3 h后, 将洗净的铁丝网浸入, 继续反应24 h, 水洗, 乙醇洗涤, 即得聚酚胺/二氧化硅修饰铁丝网。
1.2.3 制备亲油疏水网膜将制备的聚酚胺/二氧化硅修饰铁丝网浸入十八胺的乙醇饱和液, 12 h后用乙醇洗涤, 干燥, 备用。
1.2.4 制备亲水疏油网膜将制备的聚酚胺/二氧化硅修饰铁丝网浸入四乙烯五胺溶液, 12 h后用乙醇洗涤, 然后再浸入全氟辛酸溶液12 h, 洗涤, 干燥, 备用。
2 结果讨论通过stober方法制备800 nm左右的二氧化硅微球, 然后将其分散到邻苯二酚和己二胺的溶液中, 随后浸入铁丝网, 就制备了聚酚胺/二氧化硅修饰铁丝网。然后, 通过浸入十八胺溶液而制备亲油疏水网膜; 再依次浸入四乙烯五胺溶液和全氟辛酸溶液而制备亲水疏油网膜[14], 其制备过程可用图 1描述。
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| 图 1 制备聚酚胺/二氧化硅修饰铁丝网油水分离网膜示意图 |
2.1 红外谱图、热失重表征
利用红外光谱仪对二氧化硅、聚酚胺/二氧化硅和聚酚胺进行表征, 结果如图 2所示。从图中可以看到, 二氧化硅在1095 cm-1有强的吸收峰, 这是二氧化硅伸缩振动的特征吸收[15-16]。而PCHA的红外光谱在2900 cm-1左右有明显的C—H吸收峰; 在1400~1700 cm-1和3200~3600 cm-1处具有可辨别的吸收峰, 这是由于存在C—N键/C—C键和N—H键/O—H键的缘故。从聚酚胺/二氧化硅的红外光谱图中可以看到, 既有二氧化硅在1095 cm-1的特征吸收峰, 又有聚酚胺在2900 cm-1, 1400~1700 cm-1和3200~3600 cm-1处的吸收峰, 这表明聚酚胺和二氧化硅进行了成功复合。
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| 图 2 二氧化硅、聚酚胺/二氧化硅和聚酚胺的红外光谱图 |
进一步用热重分析表征了所制备的二氧化硅、聚酚胺/二氧化硅和聚酚胺。从图 3中可以清晰地看到, 二氧化硅经历两次失重, 在150 ℃之前, 有大约4.8%失重; 从150 ℃开始至800 ℃, 有5.7%失重。前一个失重, 主要由二氧化硅中吸附的水汽、溶剂等引起; 后一个失重, 主要由二氧化硅中未反应的基团进一步反应造成。
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| 图 3 二氧化硅、聚酚胺/二氧化硅和聚酚胺的热失重图 |
聚酚胺在200 ℃之前, 有大约7.5%失重; 从200 ℃开始失重加速, 到650 ℃已基本完全失重。前一个失重, 主要由聚酚胺中吸附的水汽、溶剂等小分子物质的挥发引起; 后一个失重, 主要由PCHA的分解造成。
聚酚胺/二氧化硅的热失重情况则是这两者的结合。在250 ℃之前约失重率比PCHA高, 主要原因是由二氧化硅损失水汽、溶剂等造成的; 在200 ℃之后的失重的图型与聚酚胺相同, 主要由聚酚胺的分解造成。
2.2 扫描电镜分析通过扫描电镜对制备的二氧化硅、聚酚胺/二氧化硅进行表征, 发现制备的二氧化硅微球具有良好的单分散性, 粒径在800 nm左右。对聚酚胺/二氧化硅微粒进行扫描时, 观察到其表面粗糙, 与光滑的二氧化硅微球截然不同, 而且颗粒粘结在一起, 如图 4所示, 进一步说明了PCHA微粒在二氧化硅微球表面成功进行了包覆。
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| 图 4 二氧化硅(a)、聚酚胺/二氧化硅微粒(b)的扫描电镜图 |
通过扫描电镜对不锈钢网修饰前后进行表征(图 5), 发现不锈钢网在修饰之前, 表面光洁; 在修饰之后, 表面粗糙, 布满小颗粒, 表明聚酚胺/二氧化硅对其表面进行了成功的修饰。
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| 图 5 不锈钢网修饰前(a)后(b)的扫描电镜图 |
2.3 不锈钢网油水分离效果
将花生油和水混合并分别用苏丹红和亚甲基兰染色, 然后通过亲水疏油或亲油疏水的不锈钢网进行分离。
通过图 6可知, 亲水疏油不锈钢网对油水混合物进行有效分离, 含苏丹红的花生油留在网内而含有亚甲基兰的水流入烧杯; 同样, 通过图 7可知, 亲油疏水不锈钢网对油水混合物进行有效分离, 含苏丹红的花生油流入烧杯而含有亚甲基兰的水留在网内。
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| 图 6 亲水疏油不锈钢网对油水混合物分离前(a)、中(b)、后(c)的照片 |
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| 图 7 亲油疏水不锈钢网对油水混合物分离前(a)、中(b)、后(c)的照片 |
3 结论
通过温和的实验条件、简单的实验方法, 利用聚酚胺和二氧化硅修饰不锈钢网制备油水分离网膜, 通过控制表面嫁接材料, 调控不锈钢网膜的亲水疏油性和亲油疏水性, 对油水混合物具有良好的分离性能。
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