超疏水⁃超亲油三聚氰胺海绵的制备及其油水分离性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.09.005

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (9): 28-38.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.09.005

超疏水⁃超亲油三聚氰胺海绵的制备及其油水分离性能研究

周龙(), 杜国勇(), 邓春萍

西南石油大学化学化工学院，成都 610500

收稿日期:2023-03-28 出版日期:2023-09-26 发布日期:2023-09-18
通讯作者: 杜国勇（1963-），男，教授，博士，硕士生导师，研究方向为油气田环境保护综合研究，guoyongdu@126.com
E-mail:1390928529@qq.com;guoyongdu@126.com
作者简介:周龙(1994-)，男，硕士研究生，研究方向为油水分离，1390928529@qq.com
基金资助:
四川省自然科学基金(2022NSFSC1002);油气田应用化学四川省重点实验室开放基金项目(YQKF202122)

Preparation and performance of superhydrophobic⁃superlipophilic melamine sponge for oil⁃water separation

ZHOU Long(), DU Guoyong(), DENG Chunping

College of Chemistry and Chemical Enginneering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China

Received:2023-03-28 Online:2023-09-26 Published:2023-09-18
Contact: DU Guoyong E-mail:1390928529@qq.com;guoyongdu@126.com

摘要/Abstract

摘要：

采用了一种简单、高效和环保的方法用于油水分离，即采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯（GO），通过简单的浸渍法和高温还原法将还原氧化石墨烯（rGO）先负载在三聚氰胺海绵（MS）上，再通过柴油加热MS，将长链烷烃负载在MS上，成功制备了超疏水⁃超亲油三聚氰胺海绵。rGO的加入能够增加海绵表面的粗糙度，长链烷烃的加入能降低海绵表面的表面能。改性MS具有良好的弹性性能、较好的热稳定性和吸油能力。油水分离性能测试表明，对各种油水混合物的分离效率可达97 %以上。在泵提供动外力时可实现无搅拌状态下的静态连续油水分离和搅拌状态下的动态连续油水分离。改性MS具有良好的可重复使用性和化学稳定性，在20次使用后对各种油水混合物的分离效率可达70 %以上，即使在不同pH值的水中，也可以实现油水分离，对水包正己烷乳液也能有效地分离。

关键词: 氧化石墨烯, 还原氧化石墨烯, 长链烷烃, 三聚氰胺海绵, 超疏水?超亲油, 油水分离

Abstract:

A simple， efficient， and environmentally friendly method was adopted for oil⁃water separation by means of the improved Hummers method for preparing graphene oxide （GO）. The reduced GO （rGO） was first loaded on a melamine sponge （MS） by using a simple immersion method and a high temperature reduction method. Then， the MS was heated by a diesel oil， and the long chain alkanes were loaded on the MS. A superhydrophobic⁃superlipophilic sponge was successfully prepared. The addition of rGO increased the roughness of sponge surface， and the introduction of long⁃chain alkanes reduced the surface energy of sponge surface. The modified MS exhibited good performance in elasticity， thermal stability， and oil absorption. The oil⁃water separation performance test results indicated that a separation efficiency of over 97 % was achieved for various oil⁃water mixtures. When the pump provided dynamic external force， a static continuous oil⁃water separation could be realized without stirring and dynamic continuous oil⁃water separation under agitation. The modified MS presented good reusability and chemical stability after using for 20 times. Its separation efficiency for various oil⁃water mixtures reached more than 70 %. Even in the water at different pH values， the oil⁃water separation could be realized， and n⁃hexane in water emulsion could be effectively separated.

Key words: graphene oxide, reduced graphene oxide, long chain alkanes, melamine sponge, superhydrophobic?super?lipophilic, oil?water separation

中图分类号:

TQ323

周龙, 杜国勇, 邓春萍. 超疏水⁃超亲油三聚氰胺海绵的制备及其油水分离性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 28-38.

ZHOU Long, DU Guoyong, DENG Chunping. Preparation and performance of superhydrophobic⁃superlipophilic melamine sponge for oil⁃water separation[J]. China Plastics, 2023, 37(9): 28-38.

图/表 15

图1 （a）洁净的MS、（b）rGO⁃MS在柴油中180 ℃下的加热过程和（c）rGO@柴油⁃MS

Fig.1 （a） Clean MS，（b） the heating process of rGO⁃MS in diesel oil at 180 ℃ and （c） rGO@diesel⁃MS

图2 连续油水分离模拟装置示意图

Fig.2 Schematic diagram of continuous oil⁃water separation simulator

图3 （a）改性MS对水和各种油或有机溶剂的接触角以及（b）~（d）改性MS在外力的作用下浸入水中和撤去外力后浮出到水面的过程

Fig.3 （a） Contact angle of modified MS to water and various oils or organic solvents；（b）~（d） Process diagram of modified MS immersed in water under external force and floating to the surface after removing external force

图4 （a）、（b）空白MS和（c）、（d）改性MS的SEM照片

Fig.4 SEM of blank MS （a） and （b） as well as modified MS of （c） and （d）

图5 （a）石墨、GO和rGO以及（b）MS、rGO⁃MS、柴油⁃MS和改性MS的FTIR谱图

Fig.5 Infrared spectrogram of （a） graphite， GO and rGO，（b） MS， rGO⁃MS， diesel MS and modified MS

图6 （a）石墨、GO和rGO以及（b）MS、rGO⁃MS、柴油⁃MS和改性MS的TGA曲线

Fig.6 TGA diagram of （a） graphite， GO and rGO，（b）MS， rGO⁃MS， diesel MS and modified MS

样品	T_5%/℃	T_max/℃	质量保留率/%	质量保留率/%	质量保留率/%	质量保留率/%
MS	86	392	94.8 （108 ℃）	50.3 （440 ℃）	19.4 （600 ℃）	— —
柴油⁃MS	67	377	91.4 （107 ℃）	47.2 （430 ℃）	20.4 （600 ℃）	— —
rGO⁃MS	80	383	91.4 （140 ℃）	68.4 （283 ℃）	60.5 （424 ℃）	44.5 （600 ℃）
rGO@柴油⁃MS	124	389	95.6 （101 ℃）	55.2 （407 ℃）	29.4 （600 ℃）	— —

表1 氮气氛围下的MS、rGO⁃MS、柴油⁃MS和rGO@柴油⁃MS的TGA特征参数

Tab.1 TGA characteristic parameters of MS， rGO⁃MS， diesel⁃MS， and rGO@diesel⁃MS under nitrogen atmosphere

图7 （a）改性MS压缩应变为10 %、20 %和40 %时的压缩应力⁃应变图以及（b）改性MS的压缩应变为40 %时的循环压缩应力⁃应变图

Fig.7 （a） Compressive stress⁃strain diagram of modified MS at 10 %， 20 % and 40 % compressive strain；（b） Cyclic compressive stress⁃strain diagram of modified MS with 40 % compressive strain

图8 （a）改性MS对不同油或有机溶剂的饱和质量吸油能力和饱和体积吸油能力；（b）改性MS多次循环吸油后的饱和质量吸油能力

Fig.8 （a） Saturated mass oil absorption capacity and saturated volume oil absorption capacity of modified MS to different oils or organic solvents；（b） Saturated mass oil absorption capacity of modified MS after multiple cycles of oil absorption

图9 （a）改性MS对不同油水混合物的分离效率和（b）改性MS多次循环油水分离后的分离效率

Fig.9 （a） Separation efficiency of modified MS for different oil⁃water mixtures；（b） Separation efficiency of modified MS after multiple cycles of oil⁃water separation

图10 （a）~（d） rGO@柴油⁃MS脱油5、10、15、20次后的外观和（e）纸巾吸收海绵中的残余油

Fig.10 （a）~（d） Appearance of rGO @ Diesel MS after 5， 10， 15， and 20 times of deoiling；（e） Paper towel absorbs residual oil in sponge

图11 （a）、（b）改性MS对柴油/水混合物的连续油水分离前后对比图和（c）、（d）改性MS对三氯甲烷/水混合物的连续油水分离前后对比图

Fig.11 （a）、（b） Comparison diagram before and after continuous oil⁃water separation of diesel/water mixture by modified MS；（c）、（d） Comparison chart of modified MS before and after continuous oil water separation of trichloromethane/water mixture

图12 （a）、（b）改性MS对柴油/水混合物搅拌状态下的连续油水分离前后对比图和（c）、（d）改性MS对三氯甲烷/水混合物搅拌状态下的连续油水分离前后对比图

Fig.12 （a） and （b） Comparison diagram of continuous oil⁃water separation before and after diesel/water mixture mixing by modified MS；（c） and （d） Comparison diagram of modified MS before and after continuous oil⁃water separation under the stirring state of chloroform/water mixture

图13 （a）不同pH值下改性MS的疏水性、（b）柴油在不同pH值的水中、（c）改性MS对水/柴油混合物的分离过程图、（d）改性MS对水/柴油混合物分离后的效果图、（e）氯仿在不同pH值的水底、（f）改性MS对水/氯仿混合物的分离过程图和（g）改性MS对水/氯仿混合物分离后的效果图

Fig.13 （a） Hydrophobicity of modified MS at different pH values；（b） Diesel oil in water with different pH values；（c） Separation process diagram of modified MS for water/diesel mixture；（d） Effect diagram of modified MS after separation of water/diesel mixture；（e） Chloroform at the bottom of water with different pH values；（f） Separation process diagram of modified MS for water/chloroform mixture；（g） Effect diagram of modified MS after separation of water/chloroform mixture

图14 （a）正己烷⁃水乳液分离前对比图、（b）正己烷⁃水乳液分离后对比图、（c）正己烷⁃水乳液分离前显微镜图和（d）正己烷⁃水乳液分离后显微镜图

Fig.14 （a） Comparison diagram of n⁃hexane water lotion before separation；（b） Comparison diagram of n⁃hexane water lotion after separation；（c） Microscopy of n⁃hexane water lotion before separation；（d） Microscopy of n⁃hexane water lotion after separation

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