一种高效、连续油水分离装置的制作方法

本发明属于功能材料应用技术领域，涉及一种具有特殊浸润性的高效、连续油水分离装置。

背景技术：

随着生产生活中含油污水的大量排放和海上原油泄漏事故的频繁发生，对高性能油水分离材料及技术的探索与发展已经成为关系到人民生活、经济发展和环境安全的重要课题。

在荷叶表面结构的启发下，Feng等人(参考文献1：Feng L,Zhang Z Y,Mai Z H,et al.A super-hydrophobic and super-oleophilic coating mesh film for the separation of oil and water.Angew.Chem.Int.Ed.,2004,43(15),2012-2014.)以不锈钢丝网为基底，利用喷涂-干燥技术，修饰低表面能物质聚四氟乙烯，制备了具有超疏水超亲油性的喷涂网膜。该分离网膜分离效果好，强度高，从此开创了特殊浸润性材料用于油水分离的新方法。

2011年,Shi等(参考文献2：Cheng M J,Gao Y F,Shi F,et al.A functionally integrated device for effective and facile oil spill cleanup.Langmuir,2011,27,7371-7375.)制备了功能性处理废水装置。通过将Ag粒子沉积在SAMs表面来制备超疏水表面。能够高效的、循环多次的分离多种油，但成本较高，不宜扩大生产。

如今，利用膜技术及材料表面的特殊浸润性进行油水分离的研究越来越多，这些新方法已逐渐成为清理水面浮油、实现油水分离的重要方法。它具有在常温下运行、无相变、装置小、能耗较低、分离过程可高度自动化、油水分离后油的回收相对简单等优点。但目前可用于油水分离的膜材料存在通量过低、处理速度慢、抗污染能力差、只能分批处理废水等缺点，只能用于小规模的油水分离，极大的限制了膜技术在实际废水处理和原油泄漏事故中的应用。因此，如何将聚合物膜应用于油水分离装置，实现膜分离技术连续分离油水混合物，是人们日益关注的课题。

技术实现要素：

本发明的目的在于以简单、经济的方法解决膜分离技术处理量小、分离速度慢、只能分批处理废水的难题，实现膜分离技术在实际生活中的应用。

本发明提供一种高效、连续油水分离装置，所述装置包括集油箱、机械泵和油收集装置。所述集油箱呈立方体框架结构，所述立方体框架的五个面上固定有附载疏水薄膜的金属基底，并且与油水混合物充分接触，第六个面为开口。所述机械泵的入油口通过管路连接所述集油箱，机械泵的出油口通过管路连接所述的油收集装置。在机械泵的作用下，集油箱内经过油水分离得到的油会进一步收集到所述的油收集装置中，实现了对油水混合物的分离和收集同时进行，大大缩短了回收废油的时间，从而实现了油水混合物的连续分离，分离效率达到97％以上。

所述的疏水薄膜通过静电纺丝法制备在所述的金属基底上。

所述的疏水薄膜为疏水亲油的纤维膜，金属基底为金属网，因此所述的集油箱上，疏水薄膜位于集油箱的外侧，金属基底位于集油箱的内侧，实现油水混合物中含有的油向集水箱内部的定向通过，而水不能透过。

所述立方体框架为轻便的、耐有机溶剂的材料，可以选取材料包括轻便塑料(如聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯)、EPE珍珠棉或轻质木棒(如三合板)中的任意一种。

所述金属网为50～300目的不锈钢网或磷铜网等机械性能高、韧性好的材料。

所述的疏水薄膜厚度为30～50μm；平均纤维直径为100nm～3.0μm。

本发明所提供的油水分离装置结构简单、成本低廉、易于扩大化生产，可以长期循环使用。在工业含油废水(油水混合物)的处理中具有广泛的应用前景。

本发明提供的油水分离装置具有分离效率高、处理量大、分离速度快等特点，适用于含柴油、汽油、机油等含油废水的快速处理。

本发明采用静电纺丝的方法，在金属基底上电纺一层疏水薄膜，克服了单层聚合物膜机械性能差的缺点。同时，本发明制备的疏水薄膜具有疏水/亲油性能，水的接触角大于106°，油的接触角接近0°。因其具有特殊浸润性，可以使油顺利通过疏水薄膜而水完全不透过，从而实现高效、连续的油水分离。

附图说明

图1是本发明中附载疏水薄膜的金属基底结构示意图。

图2是实施例1所述的疏水薄膜(PVDF-HFP,16wt％)表面放大10000倍形貌扫描电镜图片。

图3是实施例1所述的水滴(2μL)在PVDF-HFP疏水薄膜(16wt％)的接触角照片，水的接触角为132°。

图4是本发明中集油箱的立方体框架示意图。

图5是本发明的油水分离装置中集油箱的结构示意图。

图6是本发明的油水分离装置的连接示意图。

图中：

1.疏水薄膜； 2.金属基底； 3.立方体框架；

4.集油箱； 5.机械泵； 6.油收集装置。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种高效、连续油水分离装置，所述装置包括集油箱4、机械泵5和油收集装置6。如图4所示，所述集油箱4呈立方体框架结构，如图5，所述立方体框架3的五个面上固定有附载疏水薄膜的金属基底，顶面开口。所述机械泵5的入油口通过管路连接所述集油箱4，机械泵5的出油口通过管路连接所述的油收集装置6。所述集油箱4的五个具有疏水薄膜1的表面置于待处理的油水混合物中，开口向上，油水混合物中的油单向通过疏水薄膜1进入集油箱4内部，在机械泵5的作用下，集油箱4内经过油水分离得到的油会进一步收集到所述的油收集装置6中，实现了对油水混合物的分离和收集同时进行，大大缩短了回收废油的时间，从而实现了油水混合物的连续分离，分离效率达到97％以上。

所述的疏水薄膜1通过静电纺丝法制备在所述的金属基底2上。

所述的附载疏水薄膜的金属基底，疏水薄膜1为疏水亲油的纤维膜，金属基底2为金属网，因此所述的集油箱4上，如图5所示，疏水薄膜1位于集油箱4的外侧，金属基底2位于集油箱4的内侧。

所述立方体框架3为轻便的、耐有机溶剂的材料，可以选取材料包括轻便塑料(如聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯)、EPE珍珠棉或轻质木棒(如三合板)中的一种。

所述金属基底2采用的金属网为网孔尺寸50～300目的不锈钢网或磷铜网等机械性能高、韧性好的材料。

所述的疏水薄膜1厚度为30～50μm；平均纤维直径为100nm～3.0μm，通过以下步骤方法得到：

室温下，将聚合物A溶于溶剂B中并连续搅拌3～12h至聚合物A完全溶解，得到的聚合物溶液作为纺丝溶液装入注射器中。注射器针头与高压直流电源的正极相连；以金属网为接收基底，与高压直流电源的负极相连，进行静电纺丝，即在金属基底上得到疏水薄膜。

所述的聚合物A为疏水性聚合物，具体选择为聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、尼龙6(PA6)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚己内酯(PCL)或聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)中的一种。

所述的溶剂B为N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、1,4-二氧六环、四氢呋喃(THF)、氯仿、甲苯、三氯乙烯、环己酮、丙酮(acetone)中一种或两种的混合溶液。

所述的聚合物溶液的质量百分比浓度为7％～30％。

所述的静电纺丝过程中注射器推进速度为0.4～6ml/h；静电纺丝电压为8～30kV；接收距离为6～35cm。

实施例1

将50目不锈钢网依次置于丙酮、乙醇溶液中，超声10min；之后将其置于水中，继续超声10min，去除不锈钢网表面的油渍。洗涤后的不锈钢网置于烘箱中，在120℃条件下，烘干2h。室温下，将1.6g PVDF-HFP溶于2.52g DMAc和5.88g acetone的混合溶剂中。连续搅拌12h至完全溶解，获得16wt％的PVDF-HFP纺丝溶液。将纺丝溶液装入容量为2mL的注射器中，推进速度为3ml/h。将注射器针头与高压直流电源的正极相连，以完成预处理的50目不锈钢网作为接收基底，与高压直流电源的负极相连。调整纺丝参数：静电纺丝电压为19kV，不锈钢针头与金属基底间的距离调为15cm。最终得到如图1所示的附载有PVDF-HFP疏水薄膜的金属基底，PVDF-HFP疏水薄膜的形态如图2所示：纤维之间相互堆叠，形成很多孔隙，纤维表面非常光滑，纤维直径相对均匀。疏水薄膜厚度为50μm，平均纤维直径为1μm，如图3所示该疏水薄膜对水的接触角为132°±3°。

如图4所示，将聚乙烯(EPE)泡沫加工为10×1×1cm的长条状，并组装为10×10×10cm立方体框架3。将所制备的附载PVDF-HFP疏水薄膜的不锈钢网固定在EPE支架外围的五个平面上，组装如图5所示的空心集油箱4。

进行油水分离：如图6所示，将所制备的集油箱4放置在油水混合物中，开口面朝上，确保油水混合物不没过集油箱4的顶部；油水混合物通过固定有附载疏水薄膜的金属基底缓慢地进入到集油箱4的内部；打开机械泵5，集油箱4中收集到的油通过机械泵5的入油口被连续地抽离并进入到油收集装置6。经油水分离后收集的油通过微量水分测量仪进行测试，油水分离效率达到99.9％。

实施例2

将300目不锈钢网依次置于丙酮、乙醇溶液中，超声10min；之后将其置于水中，继续超声10min。洗涤后的不锈钢网置于烘箱中，在120℃条件下，烘干2h。室温下，将3g PS溶于2.1g DMF和4.9g THF的混合溶剂中，连续搅拌3h后，继续陈化12h后得到30wt％的纺丝溶液。将纺丝溶液装入容量为2mL的注射器中,推进速度为4ml/h。将注射器针头与高压直流电源的正极相连，以完成预处理的300目不锈钢网作为接收基底,与高压直流电源的负极相连。调整纺丝参数：静电纺丝电压为8kV，不锈钢针头与金属基底间的距离调为15cm。最终得到疏水薄膜的厚度为35μm。纺丝完成后将所得疏水薄膜置于干燥箱中40℃干燥24h，即得到微纳米PS疏水薄膜。所得疏水薄膜的平均直径是300nm，对水的接触角为154°±4°。

将轻便塑料(聚四氟乙烯)加工为10×1×1cm的长条状，并组装为10×10×10cm立方体框架。将制备的附载PS疏水薄膜的不锈钢网固定在轻便塑料支架外围的五个平面上，组装成空心集油箱4。

进行油水分离：将所制备的集油箱4放置在油水混合物中，开口面朝上，确保油水混合物不没过集油箱4的顶部；油水混合物通过固定有附载疏水薄膜的金属基底缓慢地进入到集油箱4的内部；打开机械泵5，集油箱4中收集到的油通过机械泵5的入油口被连续地抽离并进入到油收集装置6。经油水分离后收集的油通过微量水分测量仪进行测试，油水分离效率达到99％。

实施例3

将50目磷铜网置于丙酮、乙醇溶液中，超声10min；之后将其置于水中，继续超声10min。洗涤后的磷铜网置于烘箱中，在120℃条件下，烘干2h。室温下，称取0.7g的PU聚合物颗粒，加入到9.1g DMF中连续搅拌12h至完全溶解,获得7wt％的纺丝溶液。将纺丝溶液装入容量为2mL的注射器中，推进速度为3ml/h。将注射器针头与高压直流电源的正极相连，以完成预处理的50目磷铜网作为接收基底，与高压直流电源的负极相连。调整纺丝参数：静电纺丝电压为30kV，不锈钢针头与金属基底间的距离调为35cm。最终，获得疏水薄膜厚度为30μm。微纳米PU疏水薄膜的平均直径是100nm,对水接触角是106°±4°。

将聚乙烯(EPE)泡沫加工为10×1×1cm的长条状，组装为10×10×10cm立方体框架。将制得的附载PU疏水薄膜的磷铜网固定在EPE支架外围的5个平面上，组装为空心“集油箱”。

进行油水分离：将所制备的集油箱4放置在油水混合物中，开口面朝上，确保油水混合物不没过集油箱4的顶部；油水混合物通过固定有附载疏水薄膜的金属基底缓慢地进入到集油箱4的内部；打开机械泵5，集油箱4中收集到的油通过机械泵5的入油口被连续地抽离并进入到油收集装置6。经油水分离后收集的油通过微量水分测量仪进行测试，油水分离效率达到97％。

实施例4：

将300目磷铜网置于丙酮、乙醇溶液中，超声10min；之后将其置于水中，继续超声10min。洗涤后的磷铜网置于烘箱中，在120℃条件下，烘干2h。室温下，将2.0g PVDF溶于4.8g DMF和3.2g acetone混合溶剂中，连续搅拌12h至完全溶解，获得20wt％浓度的PVDF纺丝溶液。将纺丝溶液装入容量为2mL的注射器中，推进速度为6ml/h。将注射器针头与高压直流电源的正极相连；以完成预处理的300目磷铜网作为接收基底，与高压直流电源的负极相连。调整纺丝参数：静电纺丝电压为22kV，不锈钢针头与金属基底间的距离调为20cm。最终，获得疏水薄膜厚度为40μm。所得疏水薄膜的平均直径是2.0μm，对水的接触角为144°±4°。

将轻便塑料(聚四氟乙烯)加工为长条状，并组装为15×10×8cm立方体框架。进一步将制得的负载PVDF纤维膜的磷铜网固定在塑料(聚四氟乙烯)支架外围的五个平面上，组装成空心“集油箱”。

进行油水分离：将所制备的集油箱4放置在油水混合物中，开口面朝上，确保油水混合物不没过集油箱4的顶部；油水混合物通过固定有附载疏水薄膜的金属基底缓慢地进入到集油箱4的内部；打开机械泵5，集油箱4中收集到的油通过机械泵5的入油口被连续地抽离并进入到油收集装置6。经油水分离后收集的油通过微量水分测量仪进行测试，油水分离效率达到98.5％。

实施例5

将200目不锈钢网置于丙酮、乙醇溶液中，超声10min；之后将其置于水中，继续超声10min。洗涤后的不锈钢网置于烘箱中，在120℃条件下，烘干2h。室温下，将1.5g PLGA加入到4.25g DMF和4.25g acetone的混合溶剂中，连续搅拌12h至完全溶解，获得15wt％浓度的纺丝溶液。将纺丝溶液装入容量为2mL的注射器中，推进速度为0.4ml/h。将注射器针头与高压直流电源的正极相连，以完成预处理的200目不锈钢网作为接收基底,与高压直流电源的负极相连。调整纺丝参数：静电纺丝电压为8kV，不锈钢针头与金属基底间的距离调为6cm。最终，获得疏水薄膜厚度为50μm，疏水薄膜的平均直径为3μm，对水的接触角为112°±3°。

将轻便塑料(聚丙乙烯)加工为长条状，并组装为15×10×10cm立方体框架。进一步将制得的附载PLGA疏水薄膜的不锈钢网固定在轻便塑料(聚丙乙烯)支架外围的五个平面上，组装成空心集油箱4。

进行油水分离：将所制备的集油箱4放置在油水混合物中，开口面朝上，确保油水混合物不没过集油箱4的顶部；油水混合物通过固定有附载疏水薄膜的金属基底缓慢地进入到集油箱4的内部；打开机械泵5，集油箱4中收集到的油通过机械泵5的入油口被连续地抽离并进入到油收集装置6内部。经油水分离后收集的油通过微量水分测量仪进行测试，油水分离效率达到98％。