油水分离材料发展简介

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2020-03-31   环球过滤分离技术网  globalfilter3
随着我国工业的快速发展，排入水体的油类物质呈现逐年增长趋势，油类废水的污染趋势愈来愈严重，如何有效地将油类从水体中分离至今仍未有效解决。因此，将油类物质高效地从水体中分离，是目前油水处理技术发展的重要趋势。含油废水是指含有脂以及各种油类的废水，其中，脂包括脂肪酸、皂类、脂肪、蜡等；油类包括矿物油以及动植物油。



对含油废水处理的方法有多种，主要包括物理法（重力法分离、离心法分离、粗粒法分离、过滤法分离等）、物理化学法（浮选、吸附、电解、膜处理等）、化学法（凝聚、盐析、化学氧化等）、生物化学法（活性污泥、生物滤池等）。传统处理含油废水的方法虽然有操作分离方法简单等优点，但其分离效率低且分离后设备清洗复杂，难以大规模使用。



为解决这些问题，新的材料和方法被不断地研究和开发出来。近年来，油水分离膜材料及技术越来越受到大家的关注及重视，主要包括无机膜材料、聚合物膜材料和改性聚氨酯海绵材料。



2 分离膜材料的应用

随着膜材料性能的不断提升，膜器件设计形式的多样化，膜分离技术在水处理中得到越来越多的应用和发展。膜分离方法成本低、除油效率高及工艺简单，对于含油废水的处理一直被认为是最为高效的技术手段之一。目前膜法用于处理含油废水以反渗透、微滤和超滤为主，其中，超滤膜、微滤膜又可分为有机膜、无机膜和生物膜，目前研究最多的是无机膜和有机膜。




2.1 陶瓷膜材料

Nandi等利用无机前体（高岭土、石英、长石等）制备出低成本无机陶瓷膜。这种陶瓷膜在处理油水乳液时，处理效率高达98.8%；Yang等将静电纺丝技术与原位聚合技术相结合，通过苯并噁嗪（BACHO）与二氧化硅纳米颗粒（SiO2NPs）混合液的原位固化交联及高温煅烧，制备得到具有多种孔隙结构的水下超疏油的二氧化硅纳米纤维膜（SNF），并成功应用于高效的油水乳液处理；任春雷通过水热法在氧化铝中空纤维膜表面合成了氧化锌（ZnO）纳米柱，使膜表面粗糙化，并使用低表面能的氟硅烷形成疏水层，制备得到了超疏水氧化铝中空纤维膜，该膜对油水分离的效率达99.5%。


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图1 改性后SiO2纤维膜油水乳液分离示意图



目前，虽然陶瓷膜被认为是一种比较好的基体产品，但是其清洗仍然是一大难题。这种材料优点较多，但其较成熟的应用领域仅限于食品、饮料和制药等行业。




2.2 聚合物基分离材料


无机膜材料的易脆、价格昂贵等缺点限制了其大规模工业化应用。为了弥补无机材料存在的缺点，聚合物基油水分离材料因其优异的力学性能和较低的成本，越来越受到科研工作者的关注。



聚合物基油水分离膜材料通常是由相转换法制成的。其分离性能和膜层上的孔径大小、孔径分布、开孔密度及孔隙率、表面的亲水性和粗糙度等密切相关。除了调整优化分离膜的孔结构外，通过成膜过程控制和表面改性，构建抗污染的表层结构，是获得高油水分离通量和效率的关键。聚合物膜依据其膜基底组成材料，可以分为纤维素衍生物类、聚砜类、酰胺类、聚酰亚胺类、聚酯类及含氟聚合物等几大类。




2.2.1 聚砜类膜的应用


聚砜（PSF）是一类耐高温高强度的工程塑料，具有优异的抗蠕变性能，在废水处理中的研究和应用较为广泛。聚砜类膜因其热稳定性好、无毒、成本低廉等优点，是目前生产量最大的合成膜材料。通过对其进行亲疏水改性，可以大大提高其油水分离的效率及抗污染性能。



Jamshidi等利用聚砜为基体，向其中掺杂氧化铝纳米颗粒，制备出PSF-Al2O3纳米纤维复合膜，改性后的纳米纤维复合膜几乎可以完全去除水中的油分子，其通量的恢复率在67%左右；Yuan等将炔丙基－聚乙二醇（PEG）接枝到已叠氮功能化的PSF膜表面，接枝后膜材料的除油率和重复利用率均达95%以上；Ju等通过在聚砜膜表面涂覆交联的聚乙二醇丙烯酸酯，得到具有较高油水分离效率及较强抗污染性的聚砜膜。


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图2 聚砜膜表面结构、通量及除油率




2.2.2 含氟聚合物膜的应用

虽然聚砜膜材料价格低廉，但是在油水分离中易被污染，而且其耐紫外性能、耐候性及耐疲劳性能较差，在含油废水处理中的应用受到了制约。含氟类聚合物膜材料（如聚偏氟乙烯）虽然价格较高，但是具有耐高温、耐腐蚀、耐低温、无毒、低粘附及对气候变化的适应性等优点，在油水分离领域也有较多的研究。这些研究的重点也包括进行膜孔结构调控和表面改性、构建抗污染的表层结构。


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图3 特殊浸润性PVDF膜性能测试图




3 其他材料的应用


随着材料技术的发展，越来越多的人考虑到材料的耐用性、易处理性及材料对环境的影响。相应的，智能型、易回收型及仿生型膜材料应势而出。



聚氨酯海绵即低密度聚氨酯（PU），该类材料能够高效处理溢油、漏油等环保事故中的浮油及重油。通过对聚氨酯表面进行改性，提高其油水分离性能是近年该类材料发展的热点。Wu等利用化学气相沉积法使Fe3O4纳米颗粒与海绵紧密结合，然后将海绵浸没于含氟聚合物的水溶液中，所得到的海绵材料表现出快速的磁响应性和优异的超疏水超亲油性，可快速吸收水面浮油及水中重油；杨啸天等以多巴胺在碱性条件下的自聚反应为基底，在海绵表面沉积微纳米银粒子，并使用聚二甲基硅烷（PDMS）对海绵进行疏水修饰，在普通商用的聚氨酯海绵骨架上构筑了微纳结构和疏水薄层，制备出超疏水海绵，得到的海绵对有机溶剂和油类物质具有高选择性和吸收效果。


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图4 磁响应性海绵材料对油水乳液的分离效果示意图




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图5 改性纤维素海绵油水分离原理及浸润性测试示意图



综上所述，改性后的聚氨酯海绵处理含油废水具有操作简单、分离效率高及处理含油浓度高等优点。但其应用也具有局限性，其材料制作步骤繁琐且通常应用于处理高浓度含油废水的紧急环保事故中，在处理低浓度的工业含油废水中应用不广泛。其未来的发展方向涉及开发新型的器件与设备，以发挥该类材料的优势。




4 总结


随着经济的快速发展，环境问题越来越受到人们的关注，发展环保、耐用、重复利用率高及处理成本低廉的油水分离材料符合当前发展趋势。改性聚氨酯海绵处理含油废水具有操作简单、分离效率高及处理含油浓度高等优点，其未来的发展前景十分可观。



由于分离成本和效率等方面因素制约，无机陶瓷膜材料、聚砜、聚偏氟乙烯膜材料等油水分离材料还没有实现大规模的工业化应用；通过材料深层结构调控和表面处理，构建抗污染的材料表层超结构是提高膜油水分离效率的关键。具有表面多层次微纳结构的超双亲PVDF油水分离膜材料（包括平板膜及中空纤维膜），因其具有高分离效率、高通量和高抗污染性的特点，相信在大面积、连续化制备和产业化应用后，有望在含油废水处理领域发挥作用。
来源于：高分子   www.guolvfenlitech.com