一種油水分離泡沫銅及其製備方法

2023-05-24 07:47:21 1

專利名稱：一種油水分離泡沫銅及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種泡沫銅，特別涉及一種用於油水分離的泡沫銅及其製備方法。
背景技術：
油水分離在石油、化工、海水油汙、機械製造、紡織、餐飲等行業產生的含油廢水處理中有重要應用，也是柴油發動機淨化燃油的重要手段，高效油水分離特性對節能環保、提聞發動機性能等有重要意義。目前，市場上油水分離的處理方法主要有重力分離法、電脫分離法、離心分離法、化學處理法和聚結分離法等。其中，電脫分離法和離心分離法需要電力支持，能耗較高，化學處理法使用的化學試劑的汙染性也限制了其應用。聚結分離法是目前普遍應用的一種方法，分離濾芯主要是有Teflon塗層的金屬網，具有疏水親油特性，利用油和水表面張力的差異使得它們在固體表面的潤溼特性有明顯不同，從而實現油水分離，但為了增大親油性，Teflon塗層往往需要特殊的後處理。2004年，江雷課題組率先發表論文稱利用噴塗法在不鏽鋼網表面製備了超親水超疏油的聚丙烯醯胺塗層，水滴在其表面呈現球形，接觸角達150°，而油滴卻能快速潤溼並透過絲網，從而從原理上展現了超疏水超親油技術在油水分離領域的應用啟示。此後，多種超疏水超親油二維網狀材料相繼被報導，包括碳納米管等，絲網則包括銅網、聚合物網等。值得關注的是，近幾年來，響應性油水分離以及超親油超疏水網狀材料也已不斷出現，在油滴捕獲、綠色印刷等領域也顯示出誘人的前景。但是，上述油水分離材料仍存在工藝方法繁雜、成本較高，難以大規模製備等缺點。同時，由於網狀材料的二維尺度效應，缺乏第三維方向的支撐和補充，因此在分離效率、分離速度、耐磨性、耐久性等方面具有一定的局限性。泡沫銅是一種在銅基體中均勻分布著大量連通或不連通三維網狀孔洞的新型多功能材料 ，由於具有大比表面積、耐蝕、高導電和導熱特性，其在催化、過濾、流體壓力緩衝、散熱和聲磁屏蔽等領域均有廣泛的應用。

發明內容
本發明提供一種泡沫銅及其處理方法。本發明利用簡便的化學氧化和蒸鍍修飾法，在三維連通泡沫銅獲得了超疏水超親油特性，具有優異的油水分離特性。本發明採用如下技術方案:一種油水分離用泡沫銅的製備方法，所述方法包括下列步驟:(I)泡沫銅前處理:選用厚度I 3mm的三維通孔泡沫銅，孔徑尺寸為400 1500 μ m,將其剪成所需尺寸，分別使用丙酮和乙醇在超聲環境中清洗，氮氣吹乾後浸入稀酸中處理，以去除表面的氧化膜，並活化泡沫銅筋絡表面，取出後分別用稀鹼溶液、去離子水洗淨，氮氣吹乾；(2)活化泡沫銅筋絡表面粗糙化:將處理並活化後的泡沫銅浸入密閉的濃度為
0.1 0.5mol/L、溫度為5°C的氨水溶液中12 48h，取出後用清水衝洗並烘乾；(3)活化並粗糙化泡沫銅化學修飾:將筋絡已活化並粗糙化的泡沫銅浸泡於硬脂酸修飾液中，80 95°C水浴條件下浸泡30 90min,然後再用乙醇溶液涮洗，以去除泡沫銅上未吸附或吸附不牢的硬脂酸分子和其它雜質，最後吹乾，即得到長鏈烷烴分子修飾的泡沫銅。步驟(2)中所述的氨水溶液盛放在密閉容器內，水浴加熱。所述硬脂酸修飾液配製方法為:將去離子水緩慢滴加至DMF中，體積比為1:3 9，隨後向DMF水溶液中添加硬脂酸，每50mL的DMF水溶液中的硬脂酸添加量為0.01
0.03mol 。 所述的稀酸為lmol/L的鹽酸水溶液，所述的稀鹼為lmol/L的氫氧化鈉水溶液。油水分離用泡沫銅的製備方法得到的泡沫銅，在空氣中，泡沫銅表面水滴靜態接觸角為150° -160°，滾動角為5° -10°，異辛烷在其上完全浸潤，接觸角接近0° ;當泡沫銅被油完全潤溼或完全浸泡在油中時，泡沫銅表面的水滴接觸角仍達到150°以上，且滾動角在1-3° ;泡沫銅能夠將油水混合物中97%以上的異辛烷分離出來；能夠將混有少量油的油水混合物中的98-99%質量百分比的油提取出來，單位體積泡沫銅的吸油量可達0.4-0.6g/cm3 ;泡沫銅能承受的水柱高度和水滴衝擊速度分別為5-llcm和10-15cm/s ;分離IL油水混合物，持續分離10次，油水分離效率均可保持在96%以上；同時，分離IL油水混合物後，用乙醇清洗並烘乾本發明製備的泡沫銅，再次循環使用時，水滴接觸角在150°以上，異辛烷完全潤溼，油水分離效率保持在96 %以上，循環使用10次，潤溼性和油水分離特性基本無變化。有益效果:(I)可保留原有泡沫銅的相關特性，如大比表面積、耐蝕、高導電和導熱特性；(2)優異的超疏水超親油性能。在空氣中，製備得到的泡沫銅表面水滴靜態接觸角為150° -160°，滾動角為5° -10°，而異辛烷可在其上完全浸潤，接觸角接近0° ；(3)穩定的超疏水性，即使樣品被油完全潤溼或完全浸泡在油中，製備的泡沫銅表面的水滴接觸角仍高達150°以上，且滾動角在1-3°，輕微振動即可實現水滴的滾落；(4)優異的油水分離特性，通過油水混合物分離前後重量差別計算，本發明提供的製備方法獲得的泡沫銅可將油水混合物中97%以上的異辛烷分離出來；(5)優異的吸油特性，可將混有少量油的油水混合物中的98-99%質量百分比的油提取出來，單位體積泡沫銅的吸油量可達0.4-0.6g/cm3 ；(6)優異的耐高壓和流體緩衝能力，以水滴刺穿樣品底部，出現滲漏為考量標準，本發明獲得的泡沫銅可承受的水柱高度和水滴衝擊速度分別為5-llcm和10-15cm/s，這說明，與同樣製備工藝獲得超疏水超親油銅網相比(水柱高度和水滴衝擊速度分別為2-5cm和4-6cm/s)，油水混合物的分離量和分離速度均可顯著提高；(7)可持續和多次循環使用，分離IL油水混合物，持續分離10次，油水分離效率均可保持在96%以上；同時，分離IL油水混合物後，用乙醇清洗並烘乾本發明製備的泡沫銅，再次循環使用時，水滴接觸角在150°以上，異辛烷可完全潤溼，油水分離效率保持在96%以上，循環使用10次，潤溼性和油水分離特性等基本無變化；(8)處理方法成本低，無需特殊設備、操作簡便，適合於大規模生產。


圖1為實施例1中活化、粗糙化並修飾後的泡沫銅的掃描電鏡(SBO圖片。圖2為圖1的高倍放大掃描電鏡(SEM)圖片。圖3為實施例1中處理後的泡沫銅表面水滴接觸角測量圖。圖4為異辛烷液體中處理的泡沫銅表面水滴接觸角測量圖。
具體實施例方式一種高效油水分離泡沫銅的製備方法，所述方法包括下列步驟:(I)泡沫銅前處理:選用厚度l_3mm的三維通孔泡沫銅(任意方法製備的，市售的皆可使用)，孔徑尺寸為400-1500 μ m,將其剪成所需尺寸(例如5cmX 5cm)，用丙酮和乙醇在超聲環境中各清洗5min，氮氣吹乾後浸入摩爾濃度為lmol/L的稀鹽酸水溶液中處理60s，以去除表面的氧化膜，並活化泡沫銅筋絡表面，取出後先後用lmol/L的稀氫氧化鈉水溶液、去離子水洗淨，氮氣吹乾；(2)活化泡沫銅筋絡表面粗糙化:將處理並活化後的泡沫銅浸入密閉的
0.1-0.5mol/L的氨水溶液中12_48h，取出後用清水衝洗並烘乾；所述氨水溶液盛放在密閉容器內，水浴加熱，溫度為5°C ；(3)活化並粗糙化泡沫銅化學修飾:將筋絡已活化並粗糙化的泡沫銅浸泡於硬脂酸修飾液中，80-95 V水浴條件下浸泡30-90min，然後在溫熱的乙醇溶液(70 V左右)涮洗，以去除泡沫銅上未吸附或吸附不牢的硬脂酸分子和其它雜質，最後用吹風機吹乾，即可實現泡沫銅的長鏈烷烴分子修飾，至此即可獲得具有高效油水分離特性的泡沫銅；所述硬脂酸修飾液配製方法為:將去離子水緩慢滴加至N，N-二甲基甲醯胺(DMF)中，體積比為1:3-1:9，隨後向DMF水溶液中添加硬脂酸，每50mL的DMF水溶液中的硬脂酸添加量為
0.01-0.03mol ο實施例1(I)選用厚度Imm的三維通孔泡沫銅，孔徑尺寸為400 μ m，將其剪成所需尺寸(5cmX 5cm),用丙酮和乙醇在超聲環境中各清洗5min,氮氣吹乾後浸入摩爾濃度為Imol/L的鹽酸水溶液中處理60s，以去除表面的氧化膜，並活化泡沫銅筋絡表面，取出後先後用lmol/L氫氧化鈉水溶液、去離子水洗淨，氮氣吹乾；(2)將活化後的泡沫銅浸入密閉的0.lmol/L的氨水溶液中12h,取出後用清水衝洗並烘乾；所述氨水溶液盛放在密閉容器內，水浴加熱，溫度為5°C ；(3)將筋絡已活化並粗糙化的泡沫銅浸泡於硬脂酸修飾液中，80°C水浴條件下浸泡30min，然後在70°C的熱乙醇溶液涮洗，以去除泡沫銅上未吸附或吸附不牢的硬脂酸分子和其它雜質，最後用吹風機吹乾，即可實現泡沫銅的長鏈烷烴分子修飾；所述硬脂酸修飾液配製方法為:將去離子水緩慢滴加至N-N二甲基甲醯胺(DMF)分析純中，體積比為1:3，隨後向DMF水溶液中添加硬脂酸，每50mL的DMF水溶液中的硬脂酸添加量為0.0 ImoI，至此獲得具有高效油水分離特性的泡沫銅。通過上述方法處理後的泡沫銅的掃描電鏡照片如圖1所示，其放大形貌如圖2所示。這種泡沫銅表面水滴接觸角為160° (如圖3所示)，滾動角為5°，而異辛烷可在其上完全浸潤，接觸角接近0° ;樣品被油完全潤溼後接觸角為152°，而將樣品完全浸泡在油中時，水滴接觸角高達153° (如圖4所示)，且滾動角為3°，輕微振動即可實現水滴的滾落；油水分離試驗表明，獲得的泡沫銅可將異辛烷-水混合物中98%重量的異辛烷分離出來，其單位體積吸油量為0.4g/cm3，可將混有少量油的油水混合物中的98%質量百分比的油提取出來；這種處理後的三維通孔泡沫銅可承受的水柱高度和水滴衝擊速度分別為5cm和10cm/s ;同時，分離IL油水混合物，持續分離10次，油水分離效率均可保持在96%以上；分離IL油水混合物後，用乙醇清洗並烘乾本發明製備的泡沫銅，再次循環使用時，水滴接觸角為151°，異辛烷可完全潤溼，油水分離效率為97%，循環使用10次，潤溼性和油水分離特性等基本無變化。因此，本發明製備方法處理後的泡沫銅具有高效油水分離特性。實施例2(I)選用厚度3mm的三維通孔泡沫銅，孔徑尺寸為1500 μ m，將其剪成所需尺寸(5cmX 5cm),用丙酮和乙醇在超聲環境中各清洗5min,氮氣吹乾後浸入摩爾濃度為Imol/L鹽酸水溶液中處理60s，以去除表面的氧化膜，並活化泡沫銅筋絡表面，取出後先後用lmol/L氫氧化鈉水溶液、去離子水洗淨，氮氣吹乾；(2)將活化後的泡沫銅浸入密閉的0.5mol/L的氨水溶液中48h,取出後用清水衝洗並烘乾；所述氨水溶液盛放在密閉容器內，水浴加熱，溫度為5°C ；(3)將筋絡已活化並粗糙化的泡沫銅浸泡於硬脂酸修飾液中，95°C水浴條件下浸泡90min，然後在70°C的熱乙醇溶液涮洗，以去除泡沫銅上未吸附或吸附不牢的硬脂酸分子和其它雜質，最後用吹風機吹乾，即可實現泡沫銅的長鏈烷烴分子修飾；所述硬脂酸修飾液配製方法為:將去離子水緩慢滴加至N-N二甲基甲醯胺(DMF)分析純中，體積比為1:9，隨後向DMF水溶液中添加硬脂酸，每50mL的DMF水溶液中的硬脂酸添加量為0.03mol，至此獲得具有高效油水分離特性的泡沫銅。通過上述方法處理的泡沫銅表面水滴接觸角為150°，滾動角為10°，而異辛烷可在其上完全浸潤，接觸角接近0° ;樣品被油完全潤溼後接觸角為151 °，而將樣品完全浸泡在油中時，水滴接觸角高達153°，且滾動角為2°，輕微振動即可實現水滴的滾落；油水分離試驗表明，獲得的泡沫銅可將異辛烷-水混合物中97%重量的異辛烷分離出來，其單位體積吸油量為0.6g/cm3，可將混有少量油的油水混合物中的99%質量百分比的油提取出來；這種處理後的三維通孔泡沫銅可承受的水柱高度和水滴衝擊速度分別為IIcm和15cm/s ;同時，分離IL油水混合物，持續分離10次，油水分離效率均可保持在96%以上；分離IL油水混合物後，用乙醇清洗並烘乾本發明製備的泡沫銅，再次循環使用時，水滴接觸角為152°，異辛烷可完全潤溼，油水分離效率為96%，循環使用10次，潤溼性和油水分離特性等基本無變化。因此，本發明製備方法處理後的泡沫銅具有高效油水分離特性。實施例3(I)選用厚度2mm的三維通孔泡沫銅，孔徑尺寸為800 μ m，將其剪成所需尺寸(5cmX 5cm),用丙酮和乙醇在超聲環境中各清洗5min,氮氣吹乾後浸入摩爾濃度為Imol/L的鹽酸水溶液中處理60s，以去除表面的氧化膜，並活化泡沫銅筋絡表面，取出後先後用lmol/L氫氧化鈉水溶液、去離子水洗淨，氮氣吹乾；(2)將活化後的泡沫銅浸入密閉的0.3mol/L的氨水溶液中30h,取出後用清水衝洗並烘乾；所述氨水溶液盛放在密閉容器內，水浴加熱，溫度為5°C ；

(3)將筋絡已活化並粗糙化的泡沫銅浸泡於硬脂酸修飾液中，90°C水浴條件下浸泡60min，然後在70°C的熱乙醇溶液涮洗，以去除泡沫銅上未吸附或吸附不牢的硬脂酸分子和其它雜質，最後用吹風機吹乾，即可實現泡沫銅的長鏈烷烴分子修飾；所述硬脂酸修飾液配製方法為:將去離子水緩慢滴加至N-N 二甲基甲醯胺(DMF)分析純中，體積比為1:6，隨後向DMF水溶液中添加硬脂酸，每50mL的DMF水溶液中的硬脂酸添加量為0.02mol，至此獲得具有高效油水分離特性的泡沫銅。通過上述方法製備出的泡沫銅的掃描電鏡照片如圖1所示，其放大形貌如圖2所示。這種泡沫銅表面水滴接觸角為155° ,滾動角為8° ,而異辛烷可在其上完全浸潤,接觸角接近0° ;樣品被油完全潤溼後接觸角為151 °，而將樣品完全浸泡在油中時，水滴接觸角高達153°，且滾動角為1°，輕微振動即可實現水滴的滾落；油水分離試驗表明，獲得的泡沫銅可將異辛烷-水混合物中98%重量的異辛烷分離出來，其單位體積吸油量為0.5g/cm3，可將混有少量油的油水混合物中的99%質量百分比的油提取出來；這種處理後的三維通孔泡沫銅可承受的水柱高度和水滴衝擊速度分別為8cm和12cm/s ;同時,分離IL油水混合物，持續分離10次，油水分離效率均可保持在96%以上；分離IL油水混合物後，用乙醇清洗並烘乾本發明製備的泡沫銅，再次循環使用時，水滴接觸角為152°，異辛烷可完全潤溼，油水分離效率為98%，循環使用10次，潤溼性和油水分離特性等基本無變化。因此，本發明製備方法處理後的泡沫 銅具有高效油水分離特性。
權利要求
1.一種油水分離用泡沫銅的製備方法，其特徵在於，所述方法包括下列步驟: (1)泡沫銅前處理:選用厚度I 3mm的三維通孔泡沫銅，孔徑尺寸為400 1500μ m,將其剪成所需尺寸，分別使用丙酮和乙醇在超聲環境中清洗，氮氣吹乾後浸入稀酸中處理，以去除表面的氧化膜，並活化泡沫銅筋絡表面，取出後分別用稀鹼溶液、去離子水洗淨，氮氣吹乾； (2)活化泡沫銅筋絡表面粗糙化:將處理並活化後的泡沫銅浸入密閉的濃度為0.1 0.5mol/L、溫度為5°C的氨水溶液中12 48h，取出後用清水衝洗並烘乾； (3)活化並粗糙化泡沫銅化學修飾:將筋絡已活化並粗糙化的泡沫銅浸泡於硬脂酸修飾液中，80 95°C水浴條件下浸泡30 90min，然後再用乙醇溶液涮洗，以去除泡沫銅上未吸附或吸附不牢的硬脂酸分子和其它雜質，最後吹乾，即得到長鏈烷烴分子修飾的泡沫銅。
2.根據權利要求1所述的油水分離用泡沫銅的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中所述的氨水溶液盛放在密閉容器內，水浴加熱。
3.根據權利要求1所述的油水分離用泡沫 銅的製備方法，其特徵在於，所述硬脂酸修飾液配製方法為:將去離子水緩慢滴加至DMF中，體積比為1:3 9，隨後向DMF水溶液中添加硬脂酸，每50mL的DMF水溶液中的硬脂酸添加量為0.01 0.03mol。
4.根據權利要求1所述的油水分離用泡沫銅的製備方法，其特徵在於，所述的稀酸為lmol/L的鹽酸水溶液，所述的稀鹼為lmol/L的氫氧化鈉水溶液。
5.根據權利要求f4任一所述的油水分離用泡沫銅的製備方法得到的泡沫銅，其特徵在於，在空氣中，泡沫銅表面水滴靜態接觸角為150° -160°，滾動角為5° -10°，異辛烷在其上完全浸潤，接觸角接近0° ;當泡沫銅完全浸泡在油中時，泡沫銅表面的水滴接觸角仍達到150°以上，且滾動角在1-3° ;泡沫銅能夠將油水混合物中97%以上的異辛烷分離出來；能夠將混有少量油的油水混合物中的98-99%質量百分比的油提取出來，單位體積泡沫銅的吸油量可達0.4-0.6g/cm3 ;泡沫銅能承受的水柱高度和水滴衝擊速度分別為5-1 Icm和10-15cm/s ;分離IL油水混合物，持續分離10次，油水分離效率均可保持在96%以上；同時，分離IL油水混合物後，用乙醇清洗並烘乾本發明製備的泡沫銅，再次循環使用時，水滴接觸角在150°以上，異辛烷完全潤溼，油水分離效率保持在96%以上，循環使用10次，潤溼性和油水分離特性基本無變化。
全文摘要
本發明公開了一種油水分離用泡沫銅及其製備方法，選用厚度1～3mm的三維通孔泡沫銅，孔徑尺寸為400～1500μm，將其剪成所需尺寸，分別使用丙酮和乙醇在超聲環境中清洗，氮氣吹乾後浸入稀酸中處理，再用稀鹼溶液、去離子水洗淨，吹乾；再浸入密閉的濃度為0.1～0.5mol/L、溫度為5℃的氨水溶液中12～48h，取出後用清水衝洗並烘乾；最後浸泡於硬脂酸修飾液中，80～95℃水浴條件下浸泡30～90min，然後再用乙醇溶液涮洗，以去除泡沫銅上未吸附或吸附不牢的硬脂酸分子和其它雜質，最後吹乾，即得到長鏈烷烴分子修飾的泡沫銅。這種泡沫銅具有高效油水分離特性。
文檔編號B01D17/022GK103088227SQ20131001019
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者張友法, 吳春曉, 餘新泉, 臧東勉, 陳鋒 申請人:東南大學