[发明专利]一种具有梯度结构的超亲水纳米纤维膜高效处理水包油乳化液的方法

说明书

本发明提供一种具有梯度结构的超亲水纳米纤维膜高效处理水包油乳化液的方法，具体制备步骤为静电纺丝制备一种具有梯度结构的超亲水纳米纤维膜，仅在重力作用下过滤蒸馏水预润湿，然后再直接过滤水包油乳化液进行油水分离，滤膜仅使用清水简单清洗后直接重复使用。本发明针对液滴粒径从微米级到纳米级的表面活性剂稳定的水包油乳化液均能实现高效油水分离，低压驱动即可达到极高的处理通量，油截留率92.51％～99.52％，重用6次后效果未显著衰减；本发明使用具有梯度结构的超亲水纳米纤维膜材料对多种纳米级水包油乳化液实现了高效油水分离，材料制备便捷，运行条件温和，油截留率与处理通量高，抗污染性能强，适用处理对象范围广。

技术领域

本发明属于含油废水处理技术领域，具体涉及一种具有梯度结构的超亲水纳米纤维膜高效处理水包油乳化液的方法。

背景技术

高品质金属加工液的用量随着我国精密机械加工行业飞速发展而与日俱增，这些金属加工液循环使用至失效后便成为废乳化液，废乳化液具有极高的环境污染和生态风险，属于危险废弃物(代码HW09)。机械加工废乳化液属于水包油乳化液，含大量矿物油和表面活性剂，乳化液中的油滴在表面活性剂的包裹作用下以微/纳米级液滴稳定分散于水相中，结构稳定性极强，大大增加了破乳和油水分离难度。

近年来，膜分离技术因其操作简便、油水分离效果好、能耗低、药剂投加量和次生危废产量少等优势被认为是高效处理乳化液废水的方法之一。然而，目前用于含油废水处理的膜分离技术主要利用孔径筛分的截留作用去除油类物质，为实现对纳米级油滴的有效截留，往往使用超滤膜甚至纳滤膜进行过滤分离，由于其膜孔极小，孔隙率较低，处理通量较低且往往需要高压驱动。例如，公开的中国发明专利CN 111701461A使用了一种相转化法制备的聚丙烯腈水凝胶超滤膜以处理乳化液，该膜材料的分离层膜孔致密，孔隙率相对较低，在处理1000mg/L的十二烷基硫酸钠稳定的大豆油-水乳化液时，首先需要在2bar(200kPa)的高压驱动下用超纯水预压1h，然后在1bar的压力下过滤乳化液，纯水的过滤通量在500LMH/bar～600LMH/bar之间，乳化液的处理通量仅约370LMH/bar；除此之外，废乳化液废水中的油滴极易粘附和堵塞滤水型膜材料的表面和孔道，对其造成不可逆膜污染，严重的膜污染对材料性能有致命性打击，会导致降低材料处理性能和使用寿命，尤其是对通量的影响，膜严重污染后的渗透通量可能会衰减到仅为原始通量的2％～10％。高压驱动和严重的膜污染及通量衰减严重限制了膜分离技术在乳化液废水处理中的实际应用。

从膜分离技术的受限因素看，膜材料的结构特征和膜面性质对分离性能有重要影响，调整结构特征和提高膜面抗污染性能对提升油水分离效率至关重要。近年来，使用静电纺丝法制备纳米纤维膜引起诸多关注，静电纺丝法合成简便，省时省力，可制备出纳米纤维膜，纤维结构灵活可控；相比于直孔膜，静电纺丝纳米纤维膜具有相互连通的孔径通道，孔隙度高，可降低传质阻力与结垢倾向，渗透通量高；进一步地，为提高膜面抗污染性能，研究者会在纤维膜表面进行改性修饰或功能化负载以提高亲水性，或者耦合其他技术以提高材料的抗污染性能，以此可有效避免油滴粘附和膜污染现象，对提高材料的处理通量和油截留率有重要意义。然而目前的表面改性、功能修饰或耦合技术通常伴随复杂的修饰方法与负载过程，而直接在制膜过程仅通过调整基本工作参数来调控纤维膜结构与性质以构建具有良好分离性能的超润湿膜研究较少。

超亲水膜基于优越的结构和性质特征可实现高效油水分离，但目前其处理对象主要是油水混合物和简单的水包油乳化液，乳化液的油相粘度小，很少涉及粘度较高的矿物质油，且表面活性剂浓度较低甚至不含表面活性剂，液滴粒径主要分布在微米级范围。例如，公开的中国发明专利CN 111871238A使用超亲水膜处理的乳化液所用油相均为粘度较低的甲苯和环己烷，且不含表面活性剂，液滴粒径分布范围在5μm～30μm。使用超亲水纳米纤维膜针对含表面活性剂的纳米级乳化液实现高效快速油水分离仍存在一定难度和挑战，且其在实际废乳化液油水分离领域极少涉及，亟待开展研究和应用推广。

发明内容