三种油水分离用超疏水亲油滤网制备综合实验

曾秀敏，阮 涛

(华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640)

在理工科学科中，实验教学是一种重要的实践教学方式[1-3]。传统的实验教学，偏验证性实验，由老师制定实验方案，学生预习实验、按照实验操作重复结果，强调实验操作规范性、结果准确性，能够培养学生的基本实验操作，但实验比较枯燥，无法激发学生学习热情，更无法接触的前沿的科研方向以及分析测试手段[4-6]。教育部印发《关于深化本科教育教学改革， 全面提高人才培养质量的意见》中指出：强化科研育人功能，推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生专业学习兴趣。我院依托国家自然科学基金项目，设计油水分离用超疏水亲油滤网的制备实验，并进行教学实践。

水是生命的源泉，是宝贵的自然资源。目前，工业的高速发展，需要大量的石油产品作为能源以及原料。而在石油炼制、运输过程中，石油原料及石油产品的泄露、废物的排放等对于水的污染日渐严重。传统的油水处理技术(燃烧法、离心法、重力法、浮选法、化学絮凝法)[7-8]存在分离效率低、能耗高、容易造成二次污染等缺陷。近年来，基于界面科学和仿生学思想的超疏水亲油材料引起了科研工作者极大的关注[9-10]。通过对材料表面进行结构和化学组成的调控，赋予材料超疏水亲油性能，使材料表面对水的接触角大于150°，对油的接触角小于10°[11]，因此能选择性地滤除或者吸附油，从而将油水两相分离开。其中超疏水亲油材料因具有极高的选择性和吸油率，逐渐成为处理油污染的研究热点[12-13]。为实现油水混合物的高效分离，高性能滤网必须具备的特征：①具有合适的孔径，既保证高的分离纯度又保证高的分离通量[14]；②滤网对水的阻力大，水不能透过，对油的阻力小，能让油顺利通过； ③滤网的微观结构和表面性质。

有利于提高油液的传送效率，降低分离能耗。因此，多孔网膜的网孔孔径、网膜表面的化学组成和微观形貌对油水分离用超疏水亲油滤网的制备至关重要[15]。整个实验项目，为一个整体的化学工艺探索与优化方案，涉及化工学生已学的化工分离、物理化学、无机化学、化学工程与工艺知识，能够巩固学生已学知识，并进行融汇贯通，将理论知识应用到实践中，有利于激发学生的科研兴趣，为以后学生科研或工作打下基础。

1 实验试剂与仪器

1.1 实验试剂

铜网，无水乙醇，盐酸，氢氧化钠，过硫酸铵，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，异丙醇，去离子水，棉布，甲基丙烯酸-七异丁基多面体齐聚物硅氧烷(C35H74O14Si8)(MAPOSS)，二氯乙烷，苏丹III，3-巯基丙基三乙氧基硅烷(MPTES)，乙酸乙酯，异辛烷，无水乙醇，十二烷，6107热塑性丙烯酸树脂，疏水SiO2纳米粒子，400目不锈钢滤网。

1.2 实验仪器

分析天平，电热鼓风干燥箱，超声仪，油水分离器，接触角分析仪，紫外线灯，高分辨扫描电镜(SEM)。

2 实验预习

在指导老师的帮助下，学生通过查阅国内外文献，围绕本科研实验内容，通过选择合适网孔孔径的多孔网膜(铜网、棉布、不锈钢)，选择改性条件(在多孔网膜喷涂聚二甲基硅氧烷、多面体低聚倍半硅氧烷、热塑性丙烯酸树脂、二氧化硅等)，探索调控网膜表面化学组成和微观形貌，各自提出自己的实验方案、理论依据及具体实验步骤，制备超疏水亲油滤网。指导老师根据学生提交的预习报告，修改实验方案，确定具体实验步骤。

3 实验设计

3.1 PDMS改性铜网实验

(1)预处理：将尺寸为3 cm×3 cm的铜网依次在乙醇、异丙醇和0.1 M盐酸中超声洗涤10 min以除去表面污渍和氧化物；

(2)氧化：分别配制12.5 mL的10 mol/L氢氧化钠和5 mL的1 mol/L过硫酸铵，将两者混合后用32.5 mL的去离子水稀释。将处理好的铜网放入混合溶液中，室温反应10 min，洗净吹干；

(3)涂覆：然后将PDMS按照A和B组分为10:1的比例(A：0.1 g、B：0.01 g)溶解在适量二氯乙烷(约20 mL)中配置成溶液，将吹干的铜网，浸没在溶液中5 min后取出，80 ℃固化1 h。

3.2 棉布接枝MAPOSS实验

(1)预处理：首先将尺寸为3 cm×3 cm的棉布浸泡在含有0.15 mol/L的MPTES乙醇溶液中两小时，然后用乙醇清洗干净，在80 ℃下干燥1 h；

(2)接枝MAPOSS：将干燥的棉布在含有MAPOSS (1.5wt%)和HMPF(0.15wt%)的30 mL二氯乙烷中浸泡 10 min，然后取出，放在紫外灯下照射1 h。最后用乙醇清洗并在60 ℃下干燥。

3.3 不锈钢网涂SiO2实验

(1)预处理：将400目的不锈钢滤网剪裁成尺寸为40 mm×40 mm大小，并依次浸泡在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗5 min，以除去不锈钢滤网表面的油污杂质，最后在电热鼓风干燥箱中干燥，备用；

(2)制备溶液：称取一定量的热塑性丙烯酸树脂，并将其溶解在乙酸乙酯溶液中，超声溶解10 min，配成浓度为5wt%的热塑性丙烯酸树脂乙酸乙酯溶液。称取一定量的疏水SiO2，并将其分散于乙酸乙酯溶液中，超声分散30 min，配成浓度为0.5wt%的疏水SiO2乙酸乙酯溶液；

(3)喷涂：将清洗过的不锈钢滤网浸泡在热塑性树脂乙酸乙酯溶液中2 min，慢慢提拉出来，尽可能均匀些，常温干燥。接着，用喷涂的方法将疏水SiO2粒子喷涂在浸涂了热塑性丙烯酸树脂涂膜的滤网上，常温干燥后在100 ℃的条件下加热 10 min，然后冷却到常温用乙醇洗涤样品3遍。再在 5wt%的热塑性丙烯酸树脂乙酸乙酯溶液中浸渍30 s，常温干燥后在反面喷涂0.5wt%的疏水SiO2乙酸乙酯，然后100 ℃加热10 min，冷却到常温，用乙醇洗涤样品3遍。重复浸涂-喷涂步骤2遍，即制得超疏水超亲油不锈钢滤网(PINF-SSM)。

3.4 样品分析

(1)测试油水分离效率：称量空烧瓶质量，然后称10 g二氯乙烷和适量去离子水混合加入烧瓶中，再加入少许苏丹III染色。将上述制得的滤网用于分离烧瓶混合液，最后称量烧瓶和分离出的二氯乙烷总质量，计算得出油水分离效率；

(2)表征分析：测量去离子水在样品表面的静态接触角，用SEM电镜表征样品表面微观结构。

4 实验结果与分析

4.1 铜网涂覆PDMS

对改性前后的铜网进行静态接触角测试如图1所示。

图1 铜网涂覆PDMS前后静态接触角Fig.1 Static contact angle before and after copper mesh coating PDMS

铜网涂覆PDMS改性前，接触角为53.25°；铜网涂覆PDMS改性后，接触角152°，改性后，铜网疏水效果良好。铜网涂覆PDMS改性后，进行油水分离效率测试，测得效率为92.7%。

对铜网涂覆PDMS改性前后进行SEM分析如图2所示。

铜网表面附着物的性质及其表面形貌，影响铜网的表面疏水性[10]。如图2所示，铜网涂覆PDMS改性前，铜网的网状结构明显，在高倍率电镜图下，铜网表面光滑，无凸起物；铜网涂覆PDMS改性后，铜网疏松的网状结构被充满，在高倍电镜观察下，铜网表面覆盖一层棒状物，由于铜网表面覆盖PDMS及粗糙度增加，致使铜网疏水性增加。

图2 铜网涂覆PDMS改性前后扫描电镜图Fig.2 SEM images of copper mesh before and after PDMS modification

4.2 棉布接MAPOSS

对棉布接POSS前后进行静态接触角测试如图3所示。

图3 棉布接MAPOSS前后静态接触角Fig.3 Static contact angle of cotton cloth before and after grafting MAPOSS

如图3所示，未改性前的棉布，静态接触角为0°；棉布接MAPOSS后，表面接触角为152°，棉布由亲水性变为疏水性，棉布接MAPOSS改性后，进行油水分离效率测试，测得效率为81.16%。

图4 棉布接MAPOSS前后扫描电镜图Fig.4 SEM images of cotton cloth before and after grafting MAPOSS

对棉布接MAPOSS前后SEM电镜扫描如图4所示。

如图4所示，棉布改性前，棉布表面纹路明显，表面光滑，无颗粒；棉布接MAPOSS改性后，棉布表面接上MAPOSS小颗粒，由于棉布表面接MAPOSS及粗糙度增加，棉布疏水性增加。

4.3 不锈钢网喷涂SiO2

对不锈钢网喷涂SiO2前后进行静态接触角测试如图5所示。

图5 不锈钢网喷涂SiO2前后静态接触角Fig.5 Static contact angle of stainless steel net before and after spraying SiO2

如图5所示，未改性前的不锈钢网，静态接触角为83°；不锈钢网喷涂SiO2改性后，表面接触角为153°，不锈钢网由亲水性变为疏水性，不锈钢网喷涂SiO2改性后，进行油水分离效率测试，测得效率为82.50%。

对不锈钢网喷涂SiO2前后进行SEM测试，结果如图6所示。

图6 不锈钢网喷涂SiO2前后扫描电镜图Fig.6 SEM images of stainless steel net before and after spraying SiO2

如图6所示，未喷涂SiO2前，不锈钢网状结构明显，孔隙率大，在高倍率扫描电镜观察下，不锈钢网表面光滑；不锈钢网喷涂SiO2后，不锈钢网状结构被堵塞，孔隙基本被堵塞，在高倍率扫描电镜观察下，表面出现一层明显的颗粒感。由于不锈钢网喷涂SiO2及表面粗糙度增加，导致了其疏水效果增加；但由于实验室过程中，喷涂SiO2过多，导致堵塞不锈钢网状结构，油水分离过程中阻力增大，影响了油水分离效果。

5 实验教学效果

实验为科研项目转化的探究性实验：在两届教学实践过程中，以学生为主导，教师采用启发式、讨论式和建议式的模式，锻炼学生通过查阅科技文献资料获得新知识的能力及提出问题、分析问题、解决问题的能力。老师给定油水分离用超疏水亲油滤网的制备方向，由学生充分查阅国内外文献，了解该方向的发展前沿和存在的问题，在本科研项目前人的基础上，设计工艺优化方案。并根据设计实验方案，学生动手操作实验、数据处理、结果分析、实验结论，老师根据实验结果，提出建议，由学生继续进行实验方案优化，不断探索。

6 结 语

超疏水亲油滤网的制备，需要使用不同材料修饰滤网，其中，材料的形貌、颗粒大小、加入量等，都对实现滤网的超疏水性能有影响。通过对三种不同材质的滤网进行改性，对比其油水分析效率及影响原因，能激发学生主动寻找解决问题的兴趣，进一步激发其了解现代科学发展的兴趣。且利用大型仪器进行表征，让学生接触到现代先进的检测分析手段，实验条件改变，引起的实验结果变化直观可见，如滤网形貌变化(SEM测试)，改变材料性能，导致接触角变化(接触角测量仪测试)，能够启迪学生的思考，进而激发学生的科研创造力，引起学生好奇心，激发学生学习兴趣。