电化学处理制备各向异性油水分离铜网的方法与流程

本发明属于电化学处理技术领域，涉及改进的阳极氧化技术和阴极电沉积技术，结合分离式单面处理技术以及处理过程中产生的氧化铜和氧化亚铜本身固有的性能差异，实现了结构和性能各向异性铜网的制备。具体地说，是指一种电化学处理制备各向异性油水分离铜网的方法。

背景技术：

随着工业化的发展，越来越多的水资源受到油类的污染，因此，油水分离问题越来越引起人们的关注。传统的油水分离材料虽然可以实现简单的油水分离，但是局限于其两面性质的均一性，导致其只能选择性的分离出水或者油。阳极氧化技术是通过在阳极金属上形成致密的氧化膜，从而实现克服金属表面硬度、耐磨损性等方面的缺陷，扩大其应用范围，延长使用寿命。阴极电沉积技术，是指简单金属离子或络离子通过电化学方法在固体(导体或半导体)表面上还原为金属原子附着于电极表面，从而获得一金属层的过程。传统油水分离材料只能单一实现油或者水的分离的问题。

技术实现要素：

针对当前油水分离领域中存在的问题，本发明设计了一种通过改进的阳极氧化法和阴极电沉积法，结合分离式单面处理技术以及处理过程中产生的氧化铜和氧化亚铜本身固有的性能差异，制备出浸润性各向异性油水分离铜网的技术,包括下列步骤：

第一步，电解液的制备；

第二步，铜网表面预处理；

第三步，铜网B面采用阳极氧化法制备超亲水表面；

第四步，铜网A面采用阴极电沉积法制备超疏水表面。

该铜网能够很好的实现油水分离材料对油或者水被分离出来的选择性控制，解决一种材料同时具备分离出水中的油和油中的水的技术问题。本发明制备的产品无需进行后续处理就可直接用于油水分离，重复性较好。并且，本发明制备方法简单，周期短，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。

本发明提供的电化学处理制备各向异性油水分离铜网的方法，优点在于：

1、本发明制备的油水分离铜网有效的实现了油水分离材料对油或者水被分离出来的选择性控制，解决了传统油水分离材料无法实现一种材料同时具备分离出水中的油和油中的水的技术问题。

2、本发明制备的油水分离铜网只通过简单的电化学处理，避免了进一步对油水分离材料做进一步物理化学修饰的步骤。

3、本发明制备周期短，方法简单，产品成本低，使用方便，可以大规模生产。

附图说明

图1为本发明提供的改进的阳极氧化技术和阴极电沉积技术，结合分离式单面处理技术装置原理图。(a)阳极氧化法(b)阴极电沉积法。

图2为不同倍数的阳极氧化和阴极电沉积处理的铜网的SEM图片：图中a)和A)为未处理铜网表面的SEM图片；b)和B)为阳极氧化处理铜网的SEM图片；c)和C)为阴极电沉积技术处理铜网的SEM图片。其中a)，b)，c)标尺为100μm；A)，B)，C)标尺为10μm。

图3为油水分离金属网不同表面上油和水的接触角：阴极电沉积制备的还原面，阳极氧化制备的氧化面和未处理铜网表面对水和水下油的接触角。

图4为各向异性油水分离铜网表面的选择性油水分离行为示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种电化学处理制备的各向异性油水分离铜网的方法，所述方法通过改进的阳极氧化技术和阴极电沉积技术，结合分离式单面处理技术以及处理过程中产生的氧化铜和氧化亚铜本身固有的性能差异实现了结构和性能各向异性铜网的制备。制备得到的该铜网阳极氧化面表现为空气中超亲水、水下超疏油，而阴极电沉积面表现为空气中超疏水、水下超亲油，能够很好的实现油水混合物中对油或者水的选择性分离，解决了传统油水分离材料只能单一实现油或者水的分离的问题被分离出来的选择性控制。

本发明提供的电化学处理制备各向异性油水分离铜网的方法，具体步骤为：

第一步，电解液的制备：

制备浓度在0.02mol/L到1mol/L的氢氧化钠溶液作为阳极氧化过程电解液，制备浓度在0.02mol/L到1mol/L的硝酸铜溶液作为阴极电沉积过程的电解液。

第二步，铜网表面预处理：

选取铜网的铜丝直径在20～50μm之间，网孔直径在30～70μm之间，先将铜网裁剪为长2cm，宽1cm的长方形，然后分别用乙醇和水对其超声清洗20分钟，最后在干燥箱中烘干，取出待用。所述烘干优选时间为15分钟。

第三步，阳极氧化法制备超亲水表面：

首先对第二步预处理铜网其中一面(A面)进行隔水处理，即用防水胶封住铜网的A面，在A面形成隔水层，防止其被处理，然后采用直流稳压电源对铜网另一面(B面)进行阳极氧化处理，如图1a所示。电解液为第一步制备的氢氧化钠溶液，阳极为隔水处理后的铜网，阴极为铂电极，电极之间的距离为0.5～1.5cm，控制阳极氧化过程的电流为0.2～0.7A，阳极氧化时间为1～3min。处理完成后，取出铜网，去除隔水层，然后用去离子水清洗15分钟之后室温自然晾干待用，此时得到A面为未处理面，而B面为阳极氧化面的铜网。

第四步，阴极电沉积法制备超疏水表面：

将上述第三步晾干后的铜网的氧化面(B面)进行隔水处理，制备隔水层，防止其被再次处理，然后对铜网的A面进行阴极电沉积处理，如图1b所示。电解液为第一步制备的硝酸铜溶液，阳极为铂电极，阴极为铜网的A面，A面朝向铂电极，两电极之间的距离为0.5～1.5cm，控制阴极电沉积过程中的电压为1～5V，阴极电沉积时间为0.5～1.5min。处理完成后，取出铜网，去除隔水层，然后用去离子水清洗A、B两面15分钟之后室温自然晾干，此时得到A面为还原面而B面为氧化面的各向异性油水分离铜网。

通过以上先阳极氧化后阴极电沉积制备的一面超亲水，一面超疏水的浸润性各向异性油水分离铜网，两面分别表现对于油或者对于水的选择透过性，有效的实现了油水分离材料对油或者水被分离出来的选择性控制。

实施例1

本实施例提供阳极氧化和阴极电沉积法制备一面超亲水，一面超疏水的油水分离铜网的方法，其具体步骤为：

第一步，电解液的制备：

称取0.2g氢氧化钠颗粒，溶于250g去离子水当中，搅拌到完全溶解。称取1.16g硝酸铜，溶于200g去离子水当中，搅拌到完全溶解。

第二步，铜网表面预处理：

将铜网裁剪为长2cm，宽1cm的长方形，然后分别用乙醇和水对其进行超声清洗各20分钟，最后在干燥箱中烘干待用。所述的铜网网面铜丝直径为20μm，网孔直径为30μm。

第三步，阳极氧化法制备超亲水表面：

首先对烘干箱中取出的铜网A面制备隔水层，进行隔水处理，即用防水胶封住铜网的A面，然后采用直流稳压电源对铜网未隔水面B面进行阳极氧化处理。电解液为第一步制备的氢氧化钠溶液，阳极为铜网的B面，阴极为铂电极，电极之间的距离为0.5cm，控制阳极氧化过程的电流为0.2A，阳极氧化时间为1min。处理完成后，取出铜网，去除隔水层，然后用去离子水清洗15分钟之后室温自然晾干，此时得到A面为未处理面而B面为氧化面的铜网。

第四步，阴极电沉积法制备超疏水表面：

将第三步晾干后的铜网的氧化面B面制备隔水层，进行隔水处理，防止其被再次处理，然后对铜网的A面进行阴极电沉积处理，电解液为第一步制备的硝酸铜溶液，阳极为铂电极，阴极为铜网的A面，铜网的A面朝向铂电极，两电极之间的距离为0.5cm，控制阴极电沉积过程中的电压为1V，阴极电沉积时间为0.5min。处理完成后，取出铜网，去除隔水层，然后用去离子水清洗A、B两面15分钟之后自然晾干，此时得到A面为还原面而B面为氧化面的铜网。

实施例2

本实施例提供阳极氧化和阴极电沉积法制备一面超亲水，一面超疏水的油水分离铜网的方法，其具体步骤为：

第一步，电解液的制备：

称取1g氢氧化钠颗粒，溶于250g去离子水当中，搅拌到完全溶解。称取5.8g硝酸铜，溶于200g去离子水当中，搅拌到完全溶解。

第二步，铜网表面预处理：

将铜网裁剪为长2cm，宽1cm的长方形，然后分别用乙醇和水对其进行超声清洗各20分钟，最后在干燥箱中烘干待用。所述的铜网网面铜丝直径为50μm，网孔直径为70μm。

第三步，阳极氧化法制备超亲水表面：

首先对烘干箱中取出的铜网A面上制备隔水层，进行隔水处理，即用防水胶封住铜网的A面，然后采用直流稳压电源对铜网B面进行阳极氧化处理。电解液为第一步制备的氢氧化钠溶液，阳极为铜网B面，阴极为铂电极，电极之间的距离为1.5cm，控制阳极氧化过程的电流为0.7A，阳极氧化时间为3min。处理完成后，取出铜网，去除隔水层，然后用去离子水清洗15分钟之后室温自然晾干，此时得到A面为未处理面而B面为氧化面的铜网。

第四步，阴极电沉积法制备超疏水表面：

将第三步晾干后的铜网的氧化面B面制备隔水层，进行隔水处理，防止其被再次处理，然后对铜网的A面进行阴极电沉积处理，电解液为第一步制备的硝酸铜溶液，阳极为铂电极，阴极为铜网的A面，A面朝向铂电极，两电极之间的距离为1.5cm,控制阴极电沉积过程中的电压为5V，阴极电沉积时间为1.5min。处理完成后，取出铜网，去除隔水层，然后用去离子水清洗A、B两面15分钟之后自然晾干，此时得到A面为还原面而B面为氧化面的铜网。

实施例3

本实施例提供阳极氧化和阴极电沉积法制备一面超亲水，一面超疏水的油水分离铜网的方法，其具体步骤为：

第一步，电解液的制备：

称取0.5g氢氧化钠颗粒，溶于250g去离子水当中，搅拌到完全溶解。称取2.9g硝酸铜，溶于200g去离子水当中，搅拌到完全溶解。

第二步，铜网表面预处理：

将铜网裁剪为长2cm，宽1cm的长方形，然后分别用乙醇和水对其进行超声清洗各20分钟，最后在干燥箱中烘干待用。所述的铜网网面铜丝直径为35μm，网孔直径为50μm。

第三步，阳极氧化法制备超亲水表面：

首先对烘干箱中取出的铜网A面进行隔水处理，即用防水胶(隔水层)封住铜网的A面，然后采用直流稳压电源对铜网B面进行阳极氧化处理。电解液为第一步制备的氢氧化钠溶液，阳极为铜网B面，阴极为铂电极，电极之间的距离为1cm，控制阳极氧化过程的电流为0.5A，阳极氧化时间为2min。处理完成后，取出铜网，去除隔水层，然后用去离子水清洗15分钟之后室温自然晾干，此时得到A面为未处理面而B面为氧化面的铜网。

第四步，阴极电沉积法制备超疏水表面：

将第三步晾干后的铜网的氧化面B面制备隔水层，进行隔水处理，防止其被再次处理，然后对铜网的A面进行阴极电沉积处理，电解液为第一步制备的硝酸铜溶液，阳极为铂电极，阴极为铜网的A面，A面朝向铂电极，两电极之间的距离为1cm，控制阴极电沉积过程中的电压为3V，阴极电沉积时间为1min。处理完成后，取出铜网，去除隔水层，然后用去离子水清洗A、B两面15分钟之后自然晾干，此时得到A面为还原面而B面为氧化面的铜网。

采用环境扫描电镜对实施例中制备的各向异性油水分离铜网的两面进行微观形貌观察：对于阳极氧化表面，如图2所示，铜网表面出现纳米级的裂纹状结构，而阴极电沉积处理的铜网表面，存在纳米级的球状结构，它们大大增加了铜网表面的粗糙度，这使得铜网的亲水的氧化面更加的亲水，疏水的还原面更加的疏水。

采用接触角测量仪对水滴和油滴(三氯甲烷)在铜网两个表面的行为进行了观察，如图3所示，阴极电沉积法制备的还原面上水的接触角为151.3°，在阳极氧化反应制备的氧化面上水的接触角为21.3°；同时，还原面对水下油的接触角为0°，氧化面对水下油的接触角为152.1°。因此可以得出以下结论，针对实施例制备的铜网，从阳极氧化法制备的氧化面到阴极电沉积法制备的还原面，油可以快速通过，而水不可以通过；反之，从还原面到氧化面，水可以快速通过，而油不可以通过。如图4所示，a)的试验液体为油水混合物，当铜网的氧化面在上，还原面在下，随着油水混合物的滴加，油可以快速穿透样品，而水无法通过，2s完成加注后，3s即完成分离，5min图与3s图对比无其他变化。b)的试验液体为油水混合物，当铜网的还原面在上，氧化面在下，随着油水混合物的滴加，水能够快速通过样品，而油则无法通过。