[发明专利]pH响应性的二维薄膜和三维海绵油水分离材料的制备及油水分离的应用

说明书

技术领域

本发明属于油水分离材料领域，特别涉及pH响应性的二维薄膜和三维海绵油水分离材料的制备及油水分离的应用。

背景技术

近年来，随着城市化和工业化进程的加快，水体中油类污染物和石油泄漏问题日益突出多发，对人类健康、水环境以及生态环境平衡造成了很大的危害，已经成为全球亟需解决的重要环境问题之一，如何快速高效的对油污染的水源进行油水分离已引起各国政府和公众的广泛关注。而传统的油水分离方法包括：重力分离法，离心分离法，粗粒化法，过滤法，电解法，浮选法，吸附法，化学法等，但是以上传统的处理方法有的分离效率不高，有的由于添加过多化学药剂使物料二次污染，还有的能耗过高，费用高昂等，限制其应用。此外，传统的油水分离材料(如活性炭，石墨，粘土，硅藻土等)由于界面浸润特性不明显，吸油性和拒水性均较弱，在吸油的同时也吸收大量水分，分离效率较低，仅有50％左右，材料的回收利用也非常困难，影响材料的使用效果。因此，开发一种具有高分离效率、高选择性、性能优良稳定且环保的新型油水分离材料，显得十分重要。

油水分离材料由于其具有很高的分离效率已成为新的研究热点。尤其是，智能型油水分离材料的出现，为解决油污染问题提供了更大的可能。

发明内容

为了克服上述不足，本发明利用自由基聚合的方式设计合成了一种具有pH响应性的共聚物P，然后将此共聚物与二氧化硅纳米粒子形成一个混合溶液(sol)，然后通过简单浸涂(dip-coating)的方式制备了具有pH响应性的二维薄膜材料(棉布，滤纸)和三维海绵材料(聚氨酯海绵)。制备的二维薄膜材料和三维海绵材料可以通过调节pH的变化来控制其油水分离性能。在pH＝2时，此材料表现为超亲水/水下超疏油性能；在pH＝12时，此材料将会由超亲水/水下超疏油性能转变为超疏水/超亲油性能。另外，此材料的润湿性可以在pH的调节下发生原位改变。更重要的是，此材料不仅可以分离油/水/油三相的油水混合物，还能进行油包水，水包油以及酸性水包油油水乳液的分离，同时还能吸收各种油品。因此，本发明制备的油水分离材料在处理油水分离的问题上将会有更大的应用价值。

研究中发现：本发明合成的共聚物P中存在的甲基丙烯酸二甲氨乙酯链段可在pH改变的情况下可以通过质子化和去质子化作用改变其润湿性能。在HCl存在下，甲基丙烯酸二甲氨乙酯的氨基基团-N(CH₃)₂发生质子化作用结合H⁺，一部分三元胺会变为四元铵(-NH⁺(CH₃)₂)；而后又经过NaOH水溶液处理后，NaOH会与棉布上面的HCl发生中和反应，HCl会迅速减少，几乎变为不存在，所以-NH⁺(CH₃)₂会发生去质子化作用，四元铵会重新变为三元胺(如图17所示)。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有pH响应性的共聚物P，其结构式如式Ⅰ所示；

其中，X、Y、Z为大于零的自然数；n＝7，11或17。

优选的，所述共聚物P中烷基链段：硅氧烷链段：氨基链段的摩尔比为0.5～8:1:4。

本发明还提供了一种具有pH响应性的共聚物P的制备方法，以甲基丙烯酸烷基酯、3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸二甲氨乙酯为原料在引发剂存在条件下，通过自由基聚合反应制得共聚物P。

优选的，所述甲基丙烯酸烷基酯为甲基丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸十二烷基酯或甲基丙烯酸十八烷基酯；

优选的，所述引发剂为偶氮二异丁腈。

本发明还提供了采用上述任一方法制备的聚合物P。

研究中，由于单纯的聚合物修饰棉布，虽然也具有pH响应性，但其接触角不能达到超疏水状态(≥150°)，会影响油水分离的性能，因此引入二氧化硅(或者二氧化钛)纳米粒子，提高棉布表面的粗糙度，构造微纳米结构，从而使材料达到超疏水状态。

因此，本发明还提供了一种pH响应性二维薄膜材料的制备方法，包括：

将纳米二氧化硅/纳米二氧化钛和任一上述的共聚物P分散于有机溶液中，混合均匀，得混合溶液；

将二维基体材料浸渍于上述混合溶液中、干燥、洗涤、二次干燥，即得。