郭 亞 杰，王 曉

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院,遼寧 大連 116034 )

0 引 言

由于石油勘探與開采、油輪運(yùn)輸及其泄漏、施工機(jī)械、車輛清洗含油廢水排放、工業(yè)含油廢水排放等問題，石油及其制品進(jìn)入水體引起水質(zhì)下降或惡化而造成水污染日益嚴(yán)重[1]。為了解決油水分離相關(guān)的環(huán)境與資源問題，目前已有許多處理方法，但成本較高，效率不高[2-4]。這些缺點(diǎn)可以通過膜分離技術(shù)來解決，因此油水分離材料對(duì)于環(huán)境治理與能源再利用等方面的工作具有重要意義[5-6]。

固體表面的化學(xué)組成與形態(tài)結(jié)構(gòu)一定程度上決定了固體的浸潤(rùn)性[7]，浸潤(rùn)性一般通過接觸角來評(píng)價(jià)[8]。水分子在浸潤(rùn)性較好的固體表面形成水膜，可以有效阻擋油滴的透過，而表現(xiàn)出疏油性能[9]。MXene是一種通過化學(xué)方法刻蝕掉MAX相中的A原子而得到的二維片層納米材料[10-11]，并且MXene具有特殊的親水性以及二維片層結(jié)構(gòu)，在環(huán)境治理與能源再利用等領(lǐng)域具有研究意義與應(yīng)用價(jià)值[12-13]。張建會(huì)等[14]在不銹鋼目上以真空過濾MXene納米懸浮液的方式獲得了MXene油水分離膜。Wang等[15]通過冷凍干燥聚酰胺酸/MXene懸浮液和熱酰亞胺化的方式，制備出一種疏水和阻燃的聚酰亞胺/MXene氣凝膠，可有效地進(jìn)行油水分離，但是可以分離的油水混合物種類較少。

本研究以滌棉布作為基體，將具有柔韌性的納米MXene包裹在微米纖維表面，制備低成本、高性能的MXene油水分離膜。棉纖維通過溶脹將MXene納米片有效固載在纖維表面，獲得優(yōu)異的親水性，在分離膜表面形成水膜，水分子可以快速順利透過，并可以有效阻擋油的透過。疏水性滌綸在油水分離過程中保持穩(wěn)定的微米孔徑，以獲得優(yōu)異的油水分離性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 MXene油水分離膜的制備

將恒重的滌棉織物清洗后，在70 ℃烘箱中烘干并在干燥釜中降至室溫。如圖1所示，將滌棉織物浸漬在AMIMCl離子液體中，并在80 ℃環(huán)境中加熱30 min，使纖維處于溶脹狀態(tài)，纖維的溶脹狀態(tài)有利于MXene納米片與纖維的充分接觸。取出滌棉織物，對(duì)0.5 mg/mL的MXene(Ti3C2Tx)納米片懸浮液進(jìn)行多次抽濾，使MXene納米片層積在滌棉織物上。在層積了MXene納米片的滌棉織物上均勻滴少許離子液體并在80 ℃環(huán)境中加熱30 min，再用去離子水通過過濾的方式洗滌棉織物上的離子液體。在干燥狀態(tài)下，對(duì)MXene油水分離膜超聲3 min，將可能堵在MXene油水分離膜孔隙中的MXene清理掉，再次稱重，得固載率約為0.15%。

圖1 MXene油水分離膜的制備過程Fig.1 Preparation process of separation membrane

1.2 油水分離測(cè)試

使用顏料黃147(C37H21N5O4)對(duì)環(huán)己烷進(jìn)行染色，以便觀察油水分離過程。將染色的環(huán)己烷等與水混合獲得油/水混合物(體積比1∶1)，觀察到上層被染成黃色的環(huán)己烷與下層水有明顯分層，測(cè)試前先機(jī)械攪拌一下混合再進(jìn)行測(cè)試。將MXene油水分離膜用水潤(rùn)濕，固定在自制的油水分離裝置中，對(duì)油/水混合物進(jìn)行分離。分別測(cè)試MXene油水分離膜對(duì)環(huán)己烷、橄欖油、硅油、豆油等與水的油水混合物的分離效率。用環(huán)己烷與水的油水混合物測(cè)試MXene油水分離膜的可循環(huán)使用性能。改變環(huán)境的pH，測(cè)試MXene的耐酸堿性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 纖維表面形貌

使用JSM-7800F掃描電鏡觀察樣品表面形態(tài)并對(duì)微區(qū)進(jìn)行成分分析。由圖2可以看出，通過多次層積與超聲制備MXene油水分離膜，經(jīng)過離子液體對(duì)纖維中棉纖維素的溶脹，MXene納米片嵌入式覆蓋于纖維表面。由圖3可以看出，纖維表面均勻地分布Ti、C、O元素，表明MXene納米片均勻、密集地覆蓋在纖維上。

(a)滌棉布(對(duì)照)

(a)100倍電鏡

2.1.2 纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)

用XRD-7000型X射線衍射儀對(duì)MXene(Ti3C2Tx)納米片的進(jìn)行衍射(2θ=5°～70°)，分析其晶體結(jié)構(gòu)。如圖4所示，在基于滌棉布的油水分離膜的XRD曲線中，2θ=8.3°的位置出現(xiàn)MXene納米片的特征衍射峰(002)，在2θ=14.8°，17.5°，22.8°，25.5°的位置出現(xiàn)基材滌棉織物的特征峰。結(jié)合圖2、圖3可以看出，MXene納米片被均勻固載到基材滌棉織物上。

圖4 MXene粉末與MXene分離膜的XRD譜圖Fig.4 XRD spectra of MXene powder and MXene separa-tion membrane and cotton-polyester fabric

2.1.3 接觸角測(cè)定

通過光學(xué)視頻接觸角測(cè)定儀來測(cè)量滌棉織物與MXene油水分離膜的接觸角。如圖5所示，滌棉織物在空氣中的水接觸角(125°左右)遠(yuǎn)大于MXene油水分離膜在空氣中的水接觸角(30°左右)，說明MXene納米片的親水性提高了滌棉織物的浸潤(rùn)性。在水中，滌棉織物的油接觸角(30°左右)要小于MXene油水分離膜的油接觸角(90°左右)，說明MXene油水分離膜具有疏油性。

(a)空氣中水接觸角

2.2 油水分離性能

2.2.1 油水分離實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將體積比1∶1的油水混合物倒入測(cè)量裝置，其中油被顏料黃147染成黃色以方便觀察。如圖6所示，使用滌棉織物進(jìn)行分離時(shí)，油水混合物可以完全透過滌棉織物；使用MXene油水分離膜進(jìn)行測(cè)試時(shí)，水可以完全透過分離膜，而油則無法通過，被留在膜上。這是由于MXene納米片特殊的親水性質(zhì)，使MXene在被水潤(rùn)濕時(shí)，水分子被MXene捕捉形成水膜，而接觸面的三相體系的表面能減弱，水可以順利快速的通過MXene油水分離膜，而無油通過。

2.2.2 油水分離效率

油水分離效率(η)指的是油水分離后油的質(zhì)量(m1)與分離前油的質(zhì)量(m0)比，公式為

η=m1/m0

(a)滌棉織物(對(duì)照)

配制體積比1∶1的油水混合物，測(cè)試MXene油水分離膜的油水分離效率。如圖7所示，該膜對(duì)油水混合物的分離效率都在98.4%以上，展現(xiàn)出優(yōu)異的油水分離性能。

圖7 油水分離效率對(duì)比Fig.7 Comparison of oil-water separation efficiency

2.2.3 MXene油水分離膜的重復(fù)使用

對(duì)MXene油水分離膜重復(fù)測(cè)試10次，記錄MXene油水分離膜對(duì)環(huán)己烷與水混合物的油水分離效率。從圖8可以看出，MXene油水分離膜使用10次后，膜的油水分離效率有所下降，但仍保持較高的分離效率，分離效率在98.5%以上。

圖8 使用次數(shù)對(duì)分離效率的影響Fig.8 The influence of usage times on separation efficiency

2.2.4 pH對(duì)MXene油水分離效率的影響

將MXene分別在不同pH環(huán)境中浸泡10 h，干燥后用環(huán)己烷于與水的油水混合物測(cè)試油水分離效率。如圖9所示，MXene的油水分離效率幾乎沒有下降，保持在98.8%以上，說明MXene油水分離膜具有很好的耐酸和耐堿性能。

圖9 pH對(duì)分離效果的影響Fig.9 The influence of pH on the separation effect

3 結(jié) 論

MXene納米片具有親水性，以滌棉布為基體，使這種固載了MXene納米片的油水分離膜可以實(shí)現(xiàn)高效油水分離，克服了油水分離處理方法效率低、成本高的問題。對(duì)滌棉織物與MXene油水分離膜的水接觸角和油接觸角進(jìn)行對(duì)比，表明該膜相對(duì)于普通滌棉織物具有優(yōu)秀的親水疏油性。對(duì)MXene進(jìn)行油水分離性能測(cè)試，結(jié)果表明該膜分離油水混合物的分離效率可達(dá)98.4%以上，循環(huán)使用10次后仍具有較高的分離效率，且MXene油水分離膜不受酸堿環(huán)境的影響。