一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于使与可优先湿润的固体相接触分离技术领域，具体涉及一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷及其制备方法。

背景技术

随着海洋石油开采和工业的飞速发展，海上石油泄漏事故频发，泄油事故使得大面积海域被原油覆盖污染，不仅对生态环境造成不可逆的损伤，而且是对不可再生能源的极大浪费。如何简单高效地收集和处理原油泄漏污染已经成为世界级的挑战，引起了研究人员的广泛关注。传统治理油污染的方法主要有围栏法、燃烧法、化学分散法以及生物降解法等，但这些方法成本高，效率低，有时甚至会引起二次污染。相对而言，借助于疏水/亲油材料，采用物理分离的方法实现原油的回收，对环境影响较小，是当前处理油泄漏的主要考虑方法。然而，世界上40％的原油在常温下的粘度高达10

发明内容

本发明旨在克服现有技术中存在的不足，提供一种成本低、合成工艺简单和适于产业化生产的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷及其制备方法；该碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的孔隙率高、强度大、透气度高以及导热性能好，且可在外加电压的作用下进行自加热，用于原油油水分离效率高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

提供一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，所述自加热多孔疏水/亲油陶瓷由多孔陶瓷改性得到，在多孔陶瓷内外表面均包覆一层疏水/亲油的碳纳米管/纤维层；

其制备方法如下：将羧甲基纤维素钠、过渡金属前驱体和去离子水混合配制催化剂前驱体溶液；将多孔陶瓷浸没在所得催化剂前驱体溶液中，充分真空浸渍，然后干燥，随后将浸渍干燥处理后的多孔陶瓷用废塑料粉体覆盖，经煅烧处理制得碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷。

按上述方案，所述自加热多孔疏水/亲油陶瓷耐压强度为1.2～16.5MPa；表面与水接触角为139～147°，与真空泵油接触角为1～6°。

按上述方案，所述过渡金属前驱体为硝酸铁，硝酸钴，硝酸镍，氯化铁，氯化钴，氯化镍中的一种或多种，均为工业纯或分析纯，粒径≤100μm。本发明以过渡金属前驱体作为催化剂前驱体，可在较低的温度下合成碳纳米管/纤维，不需要高温处理，减少了能源的消耗。

按上述方案，所述羧甲基纤维素钠、过渡金属前驱体与去离子水的质量比为1：100：300～3000。

按上述方案，所述多孔陶瓷为多孔海泡石陶瓷，多孔硅藻土陶瓷，多孔莫来石陶瓷，多孔镁铝尖晶石陶瓷，多孔钛酸钙陶瓷，多孔氧化铝陶瓷，多孔氧化锆陶瓷，多孔碳化钛陶瓷，多孔碳化硅陶瓷和多孔氮化硅陶瓷中的一种，气孔率为50～90％，耐压强度0.5～25.0MPa，密度为0.5～1.5g/cm

按上述方案，所述多孔陶瓷与所述催化剂前驱体溶液质量比为1：10～12。

按上述方案，所述真空浸渍工艺条件为：在真空度1～100Pa下浸渍0.5～2小时。

按上述方案，所述干燥条件为：在60～80℃条件下加热10～14小时。

按上述方案，所述废塑料粉体为聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯中的一种或多种，粒径≤10μm。本发明以废塑料粉体作为碳源合成碳纳米管/纤维，不仅来源广泛、价格低廉，而且废塑料的循环利用有助于解决“白色污染”的环境问题，因而具有很好的社会效益和生态效益。

按上述方案，所述多孔陶瓷与废塑料粉体的质量比为1：5～10。

按上述方案，所述煅烧处理工艺条件为：在H

按上述方案，所述H

本发明还提供上述碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的制备方法，具体步骤如下：将羧甲基纤维素钠、过渡金属前驱体和去离子水混合配制催化剂前驱体溶液；将多孔陶瓷浸没在所得催化剂前驱体溶液中，充分真空浸渍，然后干燥，随后将浸渍干燥处理后的多孔陶瓷用废塑料粉体覆盖，经煅烧处理制得碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷。

以及上述碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷在油水分离中的应用。将所述陶瓷安装于CN202020613069.2所述装置中，在外加电压下对油/水混合物进行分离。

本申请以多孔陶瓷作为基体，其浸渍催化剂前驱体溶液后再在含H

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷具有陶瓷材料优异的机械强度和化学稳定性，孔隙率高，透气度高，导热性能好，而且具有良好的疏水亲油性，可在外加电场的作用下进行自加热，所产生的热量能快速扩散到周围的高粘度原油，增大其流动性，从而实现高粘度原油的高效分离。

2、本发明以工业上常用的材料多孔陶瓷为原料，生产成本低，工艺流程简单，适合产业化，具有很高的经济价值。

附图说明

图1为本发明实施例1所用多孔陶瓷的扫描电镜图；

图2为实施例1所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷表面碳纳米管/纤维分布的扫描电镜图；

图3为实施例1所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷表面碳纳米管/纤维分布的扫描电镜图；

图4为实施例1所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷在外加电压下自加热温度随时间测试图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式中的：所述过渡金属前驱体为硝酸铁，硝酸钴，硝酸镍，氯化铁，氯化钴，氯化镍中的一种或多种，均为工业纯或分析纯，粒径均≤100μm。

所述多孔陶瓷为多孔海泡石陶瓷，多孔硅藻土陶瓷，多孔莫来石陶瓷，多孔镁铝尖晶石陶瓷，多孔钛酸钙陶瓷，多孔氧化铝陶瓷，多孔氧化锆陶瓷，多孔碳化钛陶瓷，多孔碳化硅陶瓷，多孔氮化硅陶瓷中的一种，气孔率为50～90％，耐压强度0.5～25.0MPa，密度为0.5～1.5g/cm

所述废塑料粉体为聚乙烯、聚丙烯，聚氯乙烯中的一种或多种，粒径≤10μm。

实施例中不再赘述。

实施例1

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法如下：

按羧甲基纤维素钠：过渡金属前驱体(硝酸铁)：去离子水的质量比为1：100：1000配置催化剂前驱体溶液；

将1质量份的多孔陶瓷(多孔海泡石陶瓷，40×40×200mm

本实施例所用多孔陶瓷的扫描电镜图如图1所示，经改性后得到的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的扫描电镜图及进一步放大的图见图2和图3，可以看出改性后在陶瓷表面分布有一层碳纳米管/纤维层。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷耐压强度为1.8MPa；表面与水接触角为145°，与真空泵油接触角为2°。在该碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷上加一个并联的电压(24V)，对陶瓷直接通电加热，测试该陶瓷加热温度随时间变化，测试图见图4，可以看出，通电之后陶瓷在40秒内可以自加热到58℃。

将本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷加工成20×20×150mm

经测试，本实施例的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷在单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为120Kg·s

实施例2

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法如下：

按羧甲基纤维素钠：过渡金属前驱体(硝酸铁)：去离子水的质量比为1：100：2100配置催化剂前驱体溶液；

将1质量份的多孔陶瓷(多孔海泡石陶瓷，40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为1.7MPa；表面与水接触角为143°，与真空泵油接触角为4°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为102Kg·s

实施例3

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法如下：

按羧甲基纤维素钠：过渡金属前驱体(硝酸铁)：去离子水的质量比为1：100：300配置催化剂前驱体溶液；

将1质量份的多孔陶瓷(多孔海泡石陶瓷，40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为2.0MPa；表面与水接触角为146°，与真空泵油接触角为2°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为112Kg·s

实施例4

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用过渡金属前驱体为硝酸钴外，其它同实施例3。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为1.5MPa；表面与水接触角为142°，与真空泵油接触角为5°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为96Kg·s

实施例5

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用过渡金属前驱体为硝酸镍外，其它同实施例3。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为1.8MPa；表面与水接触角为146°，与真空泵油接触角为3°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为110Kg·s

实施例6

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用过渡金属前驱体为氯化铁外，其它同实施例3。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为2.0MPa；表面与水接触角为143°，与真空泵油接触角为1°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为132Kg·s

实施例7

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用过渡金属前驱体为氯化钴外，其它同实施例3。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为1.8MPa；表面与水接触角为140°，与真空泵油接触角为5°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为96Kg·s

实施例8

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用过渡金属前驱体为氯化镍外，其它同实施例3。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为1.9MPa；表面与水接触角为143°，与真空泵油接触角为6°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为86Kg·s

实施例9

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法如下：

按羧甲基纤维素钠：过渡金属前驱体(硝酸钴)：去离子水的质量比为1：100：2000配置催化剂前驱体溶液；

将1质量份的多孔陶瓷(多孔硅藻土陶瓷，40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为1.2MPa；表面与水接触角为145°，与真空泵油接触角为3°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为82Kg·s

实施例10

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用多孔陶瓷为多孔莫来石陶瓷(40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为13.8MPa；表面与水接触角为142°，与真空泵油接触角为4°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为50Kg·s

实施例11

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用多孔陶瓷为多孔镁铝尖晶石陶瓷(40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为10.5MPa；表面与水接触角为141°，与真空泵油接触角为6°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为45Kg·s

实施例12

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用多孔陶瓷为多孔钛酸钙陶瓷(40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为7.1MPa；表面与水接触角为141°，与真空泵油接触角为6°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为45Kg·s

实施例13

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用多孔陶瓷为多孔氧化铝陶瓷(40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为10.5MPa；表面与水接触角为141°，与真空泵油接触角为6°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为45Kg·s

实施例14

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用多孔陶瓷为多孔氧化锆陶瓷(40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为16.5MPa；表面与水接触角为139°，与真空泵油接触角为6°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为35Kg·s

实施例15

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用多孔陶瓷为多孔碳化钛陶瓷(40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为15.5MPa；表面与水接触角为141°，与真空泵油接触角为6°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为45Kg·s

实施例16

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用多孔陶瓷为多孔碳化硅陶瓷(40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为5.5MPa；表面与水接触角为140°，与真空泵油接触角为4°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为63Kg·s

实施例17

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用多孔陶瓷为多孔氮化硅陶瓷(40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为12.3MPa；表面与水接触角为146°，与真空泵油接触角为3°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为86Kg·s

实施例18

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法如下：

按羧甲基纤维素钠：过渡金属前驱体(硝酸镍)：去离子水的质量比为1：100：2000配置催化剂前驱体溶液；

将1质量份的多孔陶瓷(多孔海泡石陶瓷，40×40×200mm

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为1.9MPa；表面与水接触角为147°，与真空泵油接触角为2°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为121Kg·s

实施例19

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用废塑料粉体为聚氯乙烯外，其它同实施例18。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为1.8MPa；表面与水接触角为146°，与真空泵油接触角为2°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为117Kg·s

实施例20

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用废塑料粉体为聚乙烯和聚丙烯混合粉体(质量比为1：1)外，其它同实施例18。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为2.0MPa；表面与水接触角为143°，与真空泵油接触角为3°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为114Kg·s

实施例21

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用废塑料粉体为聚乙烯和聚氯乙烯混合粉体(质量比为1：1)外，其它同实施例18。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为2.0MPa；表面与水接触角为142°，与真空泵油接触角为4°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为115Kg·s

实施例22

一种碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷，其制备方法除所用废塑料粉体为聚丙烯和聚氯乙烯混合粉体(质量比为1：1)外，其它同实施例18。

本实施例所制备的碳纳米管/纤维改性的自加热多孔疏水/亲油陶瓷的耐压强度为2.0MPa；表面与水接触角为146°，与真空泵油接触角为2°；采用实施例1相同的方法测试该陶瓷对原油/水混合物的分离速率和分离效率，测得单位时间单位表面积下对原油/水混合物的分离速率为116Kg·s