一种具有光热效应的超疏水棉材料及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及油水分离材料制备领域，尤其涉及一种具有光热效应的超疏水棉材料及其制备方法、应用。

背景技术

石油作为一种能源，发展了一个多世纪，已经成为了社会不可或缺的一部分。然而，近十年来，溢油事故和石油污染的工业废水造成了严重的环境污染，影响了水生动物的生存环境和整个水体的生态平衡。为了保持生态平衡，充分利用溢油，研究人员提出了多种方法，制备一系列吸附材料来去除或回收溢油和废水。棉基材料作为一种天然材料，具有经济、环保、吸附性强、易改性等优点，被广泛应用于油水分离领域。然而，当这些材料面临海洋石油泄漏时，吸附材料对高粘度原油的吸附性能较差，回收率较低，成为石油泄漏回收的难题。

原油粘度与温度呈负相关关系，当温度低于60℃时，原油粘度低于0.1 (pa·s)，表现出良好的流动性。这激发了研究人员通过制备可以加热的材料来辅助油水分离。但这些制备方法存在步骤复杂，原料昂贵，需要额外的能源等缺点。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源，这使得光热转换材料得到了广泛的应用。碳纳米管(CNTs)由于其宽频带的光吸收和化学稳定性而被广泛应用，并证明具有较高的光热转换效率。此外，碳纳米管不规则、粗糙的微观结构使其易于修饰和形成超疏水表面。然而，将碳纳米管与疏水官能团结合制备光热材料来处理高粘度原油泄漏的材料却很少。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高效具有光热效应的超疏水棉材料及其制备方法、应用，旨在应对高粘度原油泄漏问题，解决现有超疏水材料面对粘度较高的重油油水分离情况时的弊端。

本发明的技术方案如下：

一种具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法，其中，包括步骤：

提供棉材料；

所述棉材料经乙醇预处理；

将多羟基碳纳米管分散至乙醇中，加入硅酸四乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷，制备超疏水纳米颗粒；

将所述超疏水纳米颗粒分散至正己烷中制备得到改性溶液；

将经过预处理的棉材料浸入所述改性溶液，干燥后制备得到所述超疏水棉材料。

所述的具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法，其中，所述棉材料包括但不限于无纺布、棉织物或棉基材的织物。

所述的具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法，其中，所述棉材料经乙醇预处理的步骤包括：

将干燥的棉材料常温浸泡在乙醇溶液中5min，之后用去离子水冲洗，并放入烘箱，在60℃条件下烘干8h。

所述的具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法，其中，所述超疏水纳米颗粒的制备步骤包括：

将多羟基碳纳米管(CNT)分散在乙醇中，加入氨水，制得第一悬浮液；

将硅酸四乙酯(TEOS)-乙醇混合溶液加入所述第一悬浮液中，并超声处理2h，制得第二悬浮液；

将十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)添加至所述第二悬浮液中，并超声处理1h，制得第三悬浮液；

将所述第三悬浮液离心后用乙醇洗涤，制备得到所述超疏水纳米颗粒。

所述的具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法，其中，所述多羟基碳纳米管的尺寸为：内径2-5nm，外径<8nm，长度10-30μm。

所述的具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法，其中，所述硅酸四乙酯-乙醇混合溶液中硅酸四乙酯与乙醇的体积比为1:5。

所述的具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法，其中，所述改性溶液的制备步骤包括：将二甲基聚硅氧烷(PDMS)、固化剂以及所述超疏水纳米颗粒分散在正己烷中，超声处理1h，制备得到所述改性溶液。

所述的具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法，其中，所述二甲基聚硅氧烷(PDMS)与所述固化剂的质量比为10:1。

一种具有光热效应的超疏水棉材料，其中，采用如上任一所述的制备方法制备而成。

一种具有光热效应的超疏水棉材料的应用，其特征在于，将如上所述的具有光热效应的超疏水棉材料用于油水分离。

有益效果：本发明将超疏水纳米颗粒粘附在棉材料的纤维上，得到具有光热效应的超疏水棉材料：先对多羟基碳纳米管(CNT)进行超疏水改性，通过在CNT上负载的TEOS和HDTMS之间的水解、缩合反应得到长链的疏水基团，烘干得到超疏水纳米颗粒，再利用PDMS优异的粘合性将其粘附在棉材料上，得到具有光热效应的超疏水棉材料。本发明制备的超疏水棉材料不仅具备优异的超疏水性能，而且可在光照条件下产生光热效应，对粘度高的重油吸附效率高，能够进行有效的油水分离。并且，通过光热作用降低重油的粘度，能够显著提高重油的吸附和脱附效率。同时，超疏水改性棉材料具有优异耐磨损、耐酸碱性，对于除原油外的其他油类也具有优异的分离效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法较佳实施例的流程图。

图2为本发明提供的一种超疏水纳米颗粒的制备方法较佳实施例的流程图。

图3为本发明提供的一种超疏水纳米颗粒形成过程示意图。

图4为实施例1中，在有无太阳光照射下，超疏水棉材料对各种有机溶剂和油脂(正戊烷、正己烷、正辛烷、十二烷、1，2-二氯乙烷、吐温80、原油)的油水分离效率的数据图。

具体实施方式

本发明提供一种具有光热效应的超疏水棉材料及其制备方法、应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种具有光热效应的超疏水棉材料的制备方法较佳实施例流程图，如图所示，包括步骤：

S10、提供棉材料；

S20、所述棉材料经乙醇预处理；

S30、将多羟基碳纳米管(CNT)分散至乙醇中，加入硅酸四乙酯(TEOS)、十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)，制备超疏水纳米颗粒；

S40、所述超疏水纳米颗粒分散至正己烷中制备得到改性溶液；

S50、经过预处理的棉材料浸入所述改性溶液，干燥后制备得到所述超疏水棉材料。

在一些实施方式中，所述棉材料包括但不限于无纺布、棉织物或棉基材的织物。

在一些实施方式中，所述棉材料经乙醇预处理的步骤包括：将干燥的棉材料常温浸泡在乙醇溶液中5min，之后用去离子水冲洗，并放入烘箱，在60℃条件下烘干8h。

在一些实施方式中，所述超疏水纳米颗粒的制备步骤如图2所示，包括：

S301、将多羟基碳纳米管(CNT)分散在乙醇中，加入氨水，制得第一悬浮液；

S302、将硅酸四乙酯(TEOS)-乙醇混合溶液加入所述第一悬浮液中，并超声处理2h，制得第二悬浮液；

S303、将十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)添加至所述第二悬浮液中，并超声处理1h，制得第三悬浮液；

S304、将所述第三悬浮液离心后用乙醇洗涤，制备得到所述超疏水纳米颗粒。

在一些具体的实施方式中，所述多羟基碳纳米管的尺寸为：95％，内径 2-5nm，外径<8nm，长度10-30μm，但不限于这个尺寸。

在一些具体的实施方式中，所述硅酸四乙酯(TEOS)-乙醇混合溶液中硅酸四乙酯(TEOS)与乙醇的体积比为1:5。

在一些具体的实施方式中，超疏水改性剂包括但不限于十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)。

在一些实施方式中，所述改性溶液的制备步骤包括：将二甲基聚硅氧烷(PDMS)、固化剂以及所述超疏水纳米颗粒分散在正己烷中，超声处理 1h，制备得到所述改性溶液。

在一些具体的实施方式中，所述二甲基聚硅氧烷(PDMS)与所述固化剂的质量比为10:1。

本发明还提供一种具有光热效应的超疏水棉材料，其中，采用如上任一所述的制备方法制备而成。

本发明将本质是吸水的棉材料，通过将超疏水纳米颗粒粘附在棉材料的纤维上，得到具有光热效应的超疏水棉材料。本发明制备的高效超疏水棉材料在光照条件下产生光热效应，对粘度高的重油吸附效率高，能够进行有效的油水分离。并且通过光热作用降低重油的粘度，能够显著提高重油的吸附和脱附效率。同时，改性棉材料具有优异耐磨损、耐酸碱性，对于除原油外的其他油类也具有优异的分离效率。

具体地，参阅图3，本实施例先对多羟基碳纳米管进行超疏水改性，通过在CNT上负载的TEOS和HDTMS之间的水解、缩合反应得到长链的疏水基团，烘干得到超疏水纳米颗粒。再利用PDMS优异的粘合性将其粘附在棉材料上，得到具有光热性能的超疏水棉材料。本实施例制得的超疏水棉材料不仅具备优异的超疏水性能，而且具备光热效应。在面对海洋漏油等类似事件中，当超疏水棉材料暴露在太阳光照下，由于光热效应引起的棉材料温度升高能够使吸附在棉材料上的重油粘度降低，有利于棉材料上原油的脱附和改性棉材料的重复利用性。同时，改性棉材料具有优异的耐磨损、耐酸碱性，对于除原油外的其他油类也具有优异的分离效率。

本发明还一种具有光热效应的超疏水棉材料的应用，将如上所述的具有光热效应的超疏水棉材料用于油水分离。

下面通过具体实施例对本发明一种具有光热效应的超疏水棉材料及其制备方法、应用做进一步的解释说明：

实施例1

具有光热效应的超疏水棉材料的制备

(1)提供棉材料，将干燥的棉材料常温浸泡在乙醇溶液中5min，然后用大量去离子水冲洗，并放入烘箱60℃烘干8h。

(2)将0.2g CNT(多羟基碳纳米管)分散在50ml乙醇中，并逐滴滴加3ml氨水；将TEOS(硅酸四乙酯)-乙醇混合溶液(其中2mL TEOS，10 mL乙醇)缓慢注入上述悬浮液中，并在超声处理下保持2h；将2.3mL HDTMS (十六烷基三甲氧基硅烷)逐滴添加至上述溶液中，随后超声处理1h；将得到的溶液以10000rpm/min离心20分钟，并用乙醇洗涤几次，最终获得超疏水纳米颗粒，记为CNT@TEOS/HDTMS颗粒。

(3)将2g CNT@TEOS/HDTMS颗粒、2g PDMS以及0.2g固化剂分散在 150ml正己烷中，得到改性溶液，并超声处理1h。

(4)将干燥的经乙醇处理的棉材料浸入改性溶液1h后取出，之后室温等待溶剂挥发，然后80℃烘干8h，得到超疏水改性棉材料。

具有光热效应的超疏水棉材料的性能测试

(1)油水分离效率测试

分别对实施例1制得的超疏水改性棉材料和对比例1中的原棉对油水混合物进行油水分离测试，其中油相选择为原油，利用氙灯模拟太阳光照，光强为1kw/m

以5ml原油与95ml纯水混合溶液为油水混合物，将棉材料以撇油器的形式作为分离器皿进行油水分离测试，油水分离效率的计算根据公式：

(m

由图4可知，相同测试条件下，超疏水棉材料的油水分离效率可达98％，而原棉则因为既吸水也吸油而达不到油水分离的效用。

综上所述，本发明提供了一种具有光热效应的超疏水棉材料，先对多羟基碳纳米管(CNT)进行超疏水改性，通过在CNT上负载的TEOS和HDTMS 之间的水解、缩合反应得到长链的疏水基团，烘干得到超疏水纳米颗粒。再利用PDMS优异的粘合性将其粘附在棉材料上，得到具有光热性能的超疏水棉材料。本发明制得的超疏水棉材料不仅具备优异的超疏水性能，而且具备光热效应，可在光照条件下产生光热效应，对粘度高的重油吸附效率高，能够进行有效的油水分离；并且，通过光热作用降低重油的粘度，能够显著提高重油的吸附和脱附效率；同时，改性棉材料具有优异耐磨损、耐酸碱性，对于除原油外的其他油类也具有优异的分离效率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。