專利名稱：基于碳納米管膜的油水分離裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種油水分離設(shè)備及方法，尤其涉及一種基于碳納米管膜的油水分離裝置及方法，屬于功能材料、化學(xué)化工及環(huán)境保護領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
油水分離是一個世界性的研究熱點。由于近年的工業(yè)污水問題的加重，以及海洋石油泄漏等環(huán)境問題的發(fā)生，油水分離材料得到人們越來越多的關(guān)注。因為油水分離是一 個界面性的問題，使用具有特殊浸潤性的材料制備成多孔膜結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)其表面性質(zhì)的不同，從而達到進行油水混合物的分離。但是現(xiàn)在油水分離膜的產(chǎn)品相對較少，主要采用是聚合物或者復(fù)合材料來制備，不僅成本較高，材料穩(wěn)定性以及重復(fù)使用效率亦均有待進一步提高，并且只適用于對特定油水混合體系的分離，使用范圍窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于碳納米管膜的油水分離裝置及方法，其能實現(xiàn)多種油水混合物的高效、快速分離，且操作簡單，成本低廉，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
碳納米管膜作為油水分離濾膜的應(yīng)用，所述碳納米管膜具有由多根碳納米管交織形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一種基于碳納米管膜的油水分離裝置，它包括
碳納米管膜，所述碳納米管膜具有由多根碳納米管交織形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
以及，用于固定所述碳納米管膜的支撐機構(gòu)。進一步的，所述碳納米管膜的厚度為10-500nm，膜孔徑為2-lOOOnm。所述支撐機構(gòu)包括多孔襯底。所述多孔襯底至少選自金屬網(wǎng)、纖維織物、高分子濾膜、陶瓷膜中的任意一種，但不限于此。一種油水分離設(shè)備，其特征在于，它包括如上所述的油水分離裝置。一種油水分離方法，其特征在于，該方法為將油水混合物輸入如上所述的油水分離裝置內(nèi)或如上所述的油水分離設(shè)備內(nèi)，使油相通過碳納米管膜，而使水相被碳納米管膜阻留，實現(xiàn)油相與水相的分離。進一步的，所述油水混合物至少選自油、水相直接混合形成的油水混合物和乳化油水體系，所述乳化油水體系包括穩(wěn)定微乳液和不穩(wěn)定懸浮液。作為優(yōu)選的方案之一，對于由兩種以上油相物質(zhì)形成的油相混合物，首先利用水相體系萃取其中的一種以上油相物質(zhì)，形成油水混合物，再將所述油水混合物輸入如上所述的油水分離裝置內(nèi)或如上所述的油水分離設(shè)備內(nèi)，使油相通過碳納米管膜，而使水相被碳納米管膜阻留，實現(xiàn)油相與水相的分離。該方法可以在壓力為-IMPa IMPa的氣壓條件下進行。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點至少在于
(O原料采用市售的單壁、雙壁或者多壁碳納米管，對其分散方法沒有任何限制，目標(biāo)只要能形成自支持的碳納米管膜，表面不經(jīng)過任何的修飾和改性，便可以利用碳納米管膜本身的性質(zhì)進行油水分離。(2)碳納米管相對于市場上的聚合物，復(fù)合材料的油水分離膜，具有性質(zhì)穩(wěn)定，可以抵抗各種酸性或者堿性溶液，因此可以用于極端條件下的油水分離，對環(huán)境保護方面具有很重要的意義。(3)碳納米管薄膜可以簡單地根據(jù)碳納米管的用量不同，對其厚度和孔徑進行控制。并且可以得到孔徑完全是納米或亞微米級別，甚至在幾個納米或幾十納米范圍可調(diào)，是一般的聚合物或者復(fù)合材料多孔薄膜材料所不具備的。納米級的孔徑提供的尺寸效應(yīng)，使得乳化油水可以得到高純度的分離。(4)碳納米管膜可以多次重復(fù)使用。在乳液分離過程中，由于破乳和油水分離，造 成乳化劑或分離相會在濾膜表面沉積，影響分離的通量，但是基于碳納米管膜的分離膜只要簡單的用乙醇洗滌，便可以取出表面吸附物質(zhì)，恢復(fù)原有通量，保證高的分離效率。(5)碳納米管膜化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可抗酸抗堿，可用于含大量酸或堿的油水混合物的分離。


圖I為本發(fā)明實施例I中所采用碳納米管膜的SEM照片；
圖2a和2b是分別以水滴和油滴(以二氯甲烷為例)在本發(fā)明實施例I所使用的碳納米管膜表面的接觸角照片；
圖3是本發(fā)明實施例I中油水分離裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中各組件及其附圖標(biāo)記分別為碳納米管膜I、多孔支撐襯底2 (陶瓷膜)。
具體實施例方式傳統(tǒng)的油水分離方法主要有萃取、蒸餾等方法，但此類方法一般操作繁雜，且往往會造成可回收物資的大量流失，還容易造成環(huán)境污染，故而，人們又發(fā)展出了其它多種油水分離工藝。當(dāng)前研究較多的是使用具有特殊浸潤性的材料制備成多孔膜結(jié)構(gòu)，再藉由此類多孔膜表面性質(zhì)的不同，從而達到進行油水混合物的分離?，F(xiàn)有的多孔膜主要由聚合物或者復(fù)合材料制成，其分離效率、使用壽命、適用范圍均受到很大限制，但迄今為止，業(yè)界尚未發(fā)展出可以替換此類多孔膜，且性能更為優(yōu)越的油水分離設(shè)備。本案發(fā)明人非常意外的發(fā)現(xiàn)利用碳納米管膜，尤其是由多根碳納米管交織纏繞形成的、具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜可實現(xiàn)油水混合體系的分離，且分離效率高，分離后水相和油相均具有較高純度。并且，本案發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，以碳納米管膜形成的油水分離裝置對酸性或者堿性油水混合體系均具有良好的耐受性，且均能產(chǎn)生良好分離效果，多次重復(fù)使用后，仍具有優(yōu)異的油水分離性能?；谇笆鲆馔獍l(fā)現(xiàn)，本案發(fā)明人特提出了本發(fā)明的油水分離裝置及方法。該油水分離裝置主要由碳納米管膜及其支撐構(gòu)件組成；碳納米管膜由碳納米管的交織網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，厚度在10-500納米范圍，膜孔徑在2-1000納米范圍。
前述碳納米管膜可由市售的普通單壁和/或雙壁和/或多壁碳納米管構(gòu)成，或也可包含其它習(xí)見的分散劑等材料。而且，尤其需要指出的是，碳納米管不須預(yù)先化學(xué)和物理處理，其成膜方法不受限制。比如，前述碳納米管膜的制備方法可以由碳納米管分散液通過浸潰涂布，噴霧涂布，紡絲，過濾或(連續(xù))真空抽濾(參見本案發(fā)明人提出的前案CN 102110489A等)，化學(xué)氣相沉積,Langmuir - Blodgett (LB)膜法,溶液燒鑄成型等工藝形成,形成后于基底分離,形成自支撐膜?；蛘撸舨捎玫幕紫刀嗫撞牧?，亦可與多孔材料一體直接形成油水分離裝置。
前述支撐構(gòu)件的形態(tài)、結(jié)構(gòu)或材質(zhì)可根據(jù)實際應(yīng)用的需要而自由選擇。其中，作為優(yōu)選的方案之一，前述支撐構(gòu)件可采用多孔襯底，所述多孔襯底可以為金屬網(wǎng)、纖維織物、各種孔徑高分子濾膜、陶瓷膜等，但不限于此，在實施油水分離的過程中，碳納米管膜可直接置于多孔襯底上，在壓力驅(qū)動或無壓力驅(qū)動下實現(xiàn)油水分離包括(乳化)油水分離。該油水分離方法為
(O將油水混合物輸入前述油水分離器中，在正壓力或副壓力作用下(壓力范圍可從-IMPa到IMPa)，油相通過碳納米管膜，而水相則不能通過，從而達到分離的目的。(2)油水混合物輸入前述油水分離器中，在無外界壓力作用下，依靠自身重力作用，油相通過碳納米管膜，而水相則不能通過，從而達到分離的目的。前述油水混合物包括兩相直接混合的油水混合物、各種乳化油水等。其中乳化油水包括不穩(wěn)定懸浮液和穩(wěn)定微乳液，但不限于此。另外，對于油相/油相混合物，可以利用兩種油相極性的差別，將其中一項萃取到水相中，在通過膜分離。
以下結(jié)合附圖及若干較佳實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細說明。實施例I
(I)取適量水溶液中分散的碳納米管，抽濾成膜，干燥后將基底(如，親水性濾膜)溶掉。得到自支持的碳納米管膜(參閱圖I)。將上述所得到的碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到陶瓷膜上，置于分離容器中。(2)取等體積的二氯甲烷和水混合，經(jīng)過劇烈震蕩后，分層消失，然后倒入分離器中，在加壓的作用下，實現(xiàn)二氯甲烷和水的分離。實施例2
(I)取適量水溶液中分散的碳納米管，抽濾成膜，干燥后將基底(如，親水性濾膜)溶掉。得到自支持的碳納米管膜。將上述所得到的碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到陶瓷膜上，置于分離容器中。(2)取體積比5 1的二氯甲烷和水混合，經(jīng)過劇烈震蕩后，分層消失，然后倒入分離器中，在加壓的作用下，實現(xiàn)二氯甲烷和水的分離。實施例3
(I)取適量水溶液中分散的碳納米管，抽濾成膜，干燥后將基底(如，親水性濾膜)溶掉。得到自支持的碳納米管膜。將上述所得到的碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到陶瓷膜上，置于分離容器中。(2)取體積比I :5的二氯甲烷和水混合，經(jīng)過劇烈震蕩后，分層消失，然后倒入分離器中，在加壓的作用下，實現(xiàn)二氯甲烷和水的分離。實施例4
(I)取適量水溶液中分散的碳納米管，抽濾成膜，干燥后將基底(如，親水性濾膜)溶掉。得到自支持的碳納米管膜。將上述所得到的碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到陶瓷膜上，置于分離容器中。(2)取體等體積的的二硫化碳和水混合，經(jīng)過劇烈震蕩后，分層消失，然后倒入分離器中，在加壓的作用下，實現(xiàn)二硫化碳和水的分離。實施例5 (I)取適量水溶液中分散的碳納米管，抽濾成膜，干燥后將基底(如，親水性濾膜)溶掉。得到自支持的碳納米管膜。將上述所得到的碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到陶瓷膜上，置于分離容器中。(2)取體積比10 1的二硫化碳和水混合，經(jīng)過劇烈震蕩后，分層消失，然后倒入分離器中，在加壓的作用下，實現(xiàn)二硫化碳和水的分離。實施例6
(I)取適量水溶液中分散的碳納米管，抽濾成膜，干燥后將基底(如，親水性濾膜)溶掉。得到自支持的碳納米管膜。將上述所得到的碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到陶瓷膜上，置于分離容器中。(2)取體積比I :10 二硫化碳和水混合，經(jīng)過劇烈震蕩后，分層消失，然后倒入分離器中，在加壓的作用下，實現(xiàn)二硫化碳和水的分離。實施例7
選用二氯甲烷/水體系分離苯甲酸和苯胺混合體系
(I)苯甲酸微溶于水，但當(dāng)pH值=12.6時，便可全溶；且在pH= 13時，苯甲酸在二氯甲烷/水體系下，幾乎都在水相中，但是苯胺仍然溶解在二氯甲烷當(dāng)中。(2)根據(jù)(I)的分析，將苯胺，苯甲酸各O. Ig溶液5 ml CH2Cl2溶液中，然后加入等體積的NaOH溶液(pH=13)，振蕩，靜置數(shù)次，然后用上述得到的自支持單壁碳納米管膜過濾，分別得到油層和水層。選用二氯甲烷/水體系分離苯胺和甲苯混合體系
(3)苯胺溶于水，但溶解度較低，但pH=5.3時，苯胺可以大量的溶解在水中
(4)苯胺(0.05g)溶于甲苯(2ml),加入到5 ml CH2Cl2溶液中，然后加入等體積的HCl溶液(pH=2)，振蕩，靜置數(shù)次，然后用上述得到的自支持單壁碳納米管膜過濾，分別得到油層和水層。實施例8
(I)配置油包水不穩(wěn)定乳液，分別選取甲苯，環(huán)己烷，石油醚為油相，加入一定比例的水，超聲一定時間后，得到乳白色的油包水乳液。(2)選用上述的自支持碳納米管膜，將上述所得到的油包水乳液加入到分離器當(dāng)中，在加壓的作用下，甲苯，環(huán)己烷，石油醚等可以通過碳納米管膜，而水不能通過，且濾出的三種油相為澄清的，在此分離過程中，乳液的破乳和油水分離同步進行的。實施例9
(I)配置油包水不穩(wěn)定乳液，選取甲苯和環(huán)己烷的混合液油相，加入一定比例的水，超聲一定時間后，得到乳白色的油包水乳液。(2)選用上述的自支持碳納米管膜，將上述所得到的油包水乳液加入到分離器當(dāng)中，在加壓的作用下，油相可以通過碳納米管膜，而水不能通過，且濾出的油相為澄清的，在此分離過程中，乳液的破乳和油水分離同步進行的。實施例10
(I)配置油包水穩(wěn)定乳液，選取甲苯為油相，司盤80作為乳化劑，加入一定比例的水，攪拌一定時間后，得到乳白色的油包水乳液。(2)選用上述的自支持碳納米管膜，加所得到的油包水乳液加入到分離器當(dāng)中，在加壓的作用下，甲苯可以通過碳納米管膜，而水不能通過，且濾出的甲苯為澄清的，在此分離過程中，乳液的破乳和油水分離同步進行的。上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的認識能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或者修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。權(quán)利要求
1.碳納米管膜作為油水分離濾膜的應(yīng)用，所述碳納米管膜具有由多根碳納米管交織形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
2.一種基于碳納米管膜的油水分離裝置，其特征在于，它包括 碳納米管膜，所述碳納米管膜具有由多根碳納米管交織形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)； 以及，用于固定所述碳納米管膜的支撐機構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于碳納米管膜的油水分離裝置，其特征在于，所述碳納米管膜的厚度為10-500nm，膜孔徑為2-1000nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2-3中任一項所述的基于碳納米管膜的油水分離裝置，其特征在于，所述支撐機構(gòu)包括多孔襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于碳納米管膜的油水分離裝置，其特征在于，所述多孔襯底至少選自金屬網(wǎng)、纖維織物、高分子濾膜、陶瓷膜中的任意一種。
6.一種油水分離設(shè)備，其特征在于，它包括如權(quán)利要求2-5中任一項所述的油水分離 裝直。
7.一種油水分離方法，其特征在于，該方法為將油水混合物輸入如權(quán)利要求2-4中任一項所述的油水分離裝置內(nèi)或如權(quán)利要求5所述的油水分離設(shè)備內(nèi)，使油相通過碳納米管膜，而使水相被碳納米管膜阻留，實現(xiàn)油相與水相的分離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于碳納米管膜的油水分離裝置及方法。本發(fā)明是以碳納米管膜作為濾膜，實現(xiàn)對油水混合體系的分離。所述碳納米管膜由碳納米管交織的網(wǎng)絡(luò)組成，膜厚在10-500納米范圍，膜孔徑在2-1000納米范圍，膜表面具有疏水親油的性質(zhì)，且耐酸堿耐受性好，在pH值1-14的范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定。所述的油水混合體系包括油相與水相直接混合形成的體系或乳化油水(油包水型或水包油型)。本發(fā)明可用于生產(chǎn)、生活、石油化工、機械等領(lǐng)域的多種油水混合物的低成本、高通量的高效快速分離。
文檔編號B01D17/022GK102755764SQ20121027030
公開日2012年10月31日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者石準(zhǔn), 靳健 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所