[发明专利]一种油水分离用自清洁藻酸盐基复合二氧化钛气凝胶材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种油水分离用自清洁藻酸盐基复合TiO₂气凝胶材料及其制备方法，属于净化材料制备领域。该藻酸盐基复合TiO₂气凝胶材料是采用简单的离子交联和冷冻干燥相结合的方法，制备了一种环保型、低成本、自净、稳定性高、多功能的藻酸盐基复合TiO₂气凝胶。与未复合TiO₂的藻酸盐气凝胶相比，该复合气凝胶具有高比表面积、高孔隙率、超亲水‑水下超疏油、易塑型、易回收和光致自清洁等特性，通过短暂的紫外光照射，可实现所得复合气凝胶材料在油/水分离中的超长重复使用(至少120个循环)，在油水分离的实际应用中有广阔的前景，有利于大规模推广。

技术领域

本发明属于净化材料制备领域，具体涉及一种油水分离用自清洁藻酸盐基复合TiO₂气凝胶材料及其制备方法。

背景技术

每一次海上石油泄露事件都是一场巨大的灾难，不仅直接造成海洋生物的死亡，而且原油中大量有毒物质会通过食物链最终危害人类身体健康。此外，工业发展和日常生活随意排放的大量含油废水也严重影响着人类生存环境。因此，加强相关基础和产品工程研究，获得更加符合国民经济和环境发展要求的油水分离用功能材料具有重要意义。

传统的油水处理技术主要有燃烧法、离心法、重力法、浮选法、化学絮凝法等。这些方法虽然操作简单，但是存在分离效率低、能耗高、容易造成二次污染等致命的缺陷。通过模仿生物组织表面微观结构来调节界面固有的润湿性能，制备出具有易回收、可循环使用、超双疏性或超双亲性等特征的表面，以改善液相在固体表面的流动行为，实现高效油水分离的材料显得尤为重要。此外，通过调控材料表面的微观结构和表面化学组成，以获得一系列具有特殊润湿性的材料，如能让水顺利通过，油无法通过的超亲水-水下超疏油材料、超亲水超疏油材料、应激可转换润湿性材料以及亲水-疏水复合材料等，也都受到国内外研究工作者的极大关注与重视。

气凝胶（Aerogel）作为一种独特的多孔结构材料，因其具有高孔隙率（大于90%）、低密度（0.003-0.5 g/cm³）、高透光性以及较低的导热系数（0.0013-0.021 W/m·k）等特点而备受关注，主要被应用于军事、建筑、能源及环境保护等方面。藻酸盐基气凝胶是以藻酸盐为前驱体，经超临界干燥或冷冻干燥后制得。藻酸盐是从褐藻中提取出来的一种天然多糖，它是由β-D-甘露糖醛酸（M单元）和α-L-古洛糖醛酸（G单元）通过1-4糖苷键连接而成的无规嵌段共聚物，具有来源丰富、绿色无毒、易凝胶化、可再生、可降解以及生物相容性好等优异性能。同时，藻酸盐气凝胶材料还具有超亲水-水下超疏油的优异特性，有望在油水分离领域作为高效过滤材料实现广泛应用。然而需要指出的是，在油水分离过程中，残留的油滴分子容易吸附于气凝胶材料的表面和三维孔道之中，这会极大削弱气凝胶过滤材料的分离性能和循环使用寿命，因此，如何提高气凝胶材料的自清洁能力，实现其在油水分离领域的长期高效使用是亟待解决的关键技术问题。

随着科学技术的发展，多元材料复合化成为新材料的发展趋势，通过两种或者多种材料的复合，可实现功能和性能上的相互弥补和优化，制备出性能更加优异的复合材料。本发明采用简单的离子交联和冷冻干燥相结合的方法，研制了一种环保型、低成本、光致自清洁、稳定性高、多功能的藻酸盐基复合TiO₂气凝胶材料，与未复合TiO₂的气凝胶相比，该复合气凝胶具有高比表面积、高孔隙率、超亲水-水下超疏油、易塑型、易回收、易自清洁和油/水分离可重用性(至少120个循环)的特点，在油水分离的实际应用中有广阔的前景，也为设计多功能气凝胶用于污水治理开辟了新的途径。

发明内容

针对现有油水分离应用过程中存在的问题和缺陷，本发明提供了一种工艺简单、生产成本低廉且具有超高稳定性的油水分离用自清洁藻酸盐基复合TiO₂气凝胶材料及其制备。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：