基于涤棉织物的MXene高效油水分离膜的制备

郭 亚 杰，王 晓

(大连工业大学 纺织与材料工程学院,辽宁 大连 116034 )

0 引 言

由于石油勘探与开采、油轮运输及其泄漏、施工机械、车辆清洗含油废水排放、工业含油废水排放等问题，石油及其制品进入水体引起水质下降或恶化而造成水污染日益严重[1]。为了解决油水分离相关的环境与资源问题，目前已有许多处理方法，但成本较高，效率不高[2-4]。这些缺点可以通过膜分离技术来解决，因此油水分离材料对于环境治理与能源再利用等方面的工作具有重要意义[5-6]。

固体表面的化学组成与形态结构一定程度上决定了固体的浸润性[7]，浸润性一般通过接触角来评价[8]。水分子在浸润性较好的固体表面形成水膜，可以有效阻挡油滴的透过，而表现出疏油性能[9]。MXene是一种通过化学方法刻蚀掉MAX相中的A原子而得到的二维片层纳米材料[10-11]，并且MXene具有特殊的亲水性以及二维片层结构，在环境治理与能源再利用等领域具有研究意义与应用价值[12-13]。张建会等[14]在不锈钢目上以真空过滤MXene纳米悬浮液的方式获得了MXene油水分离膜。Wang等[15]通过冷冻干燥聚酰胺酸/MXene悬浮液和热酰亚胺化的方式，制备出一种疏水和阻燃的聚酰亚胺/MXene气凝胶，可有效地进行油水分离，但是可以分离的油水混合物种类较少。

本研究以涤棉布作为基体，将具有柔韧性的纳米MXene包裹在微米纤维表面，制备低成本、高性能的MXene油水分离膜。棉纤维通过溶胀将MXene纳米片有效固载在纤维表面，获得优异的亲水性，在分离膜表面形成水膜，水分子可以快速顺利透过，并可以有效阻挡油的透过。疏水性涤纶在油水分离过程中保持稳定的微米孔径，以获得优异的油水分离性。

1 实 验

1.1 MXene油水分离膜的制备

将恒重的涤棉织物清洗后，在70 ℃烘箱中烘干并在干燥釜中降至室温。如图1所示，将涤棉织物浸渍在AMIMCl离子液体中，并在80 ℃环境中加热30 min，使纤维处于溶胀状态，纤维的溶胀状态有利于MXene纳米片与纤维的充分接触。取出涤棉织物，对0.5 mg/mL的MXene(Ti3C2Tx)纳米片悬浮液进行多次抽滤，使MXene纳米片层积在涤棉织物上。在层积了MXene纳米片的涤棉织物上均匀滴少许离子液体并在80 ℃环境中加热30 min，再用去离子水通过过滤的方式洗涤棉织物上的离子液体。在干燥状态下，对MXene油水分离膜超声3 min，将可能堵在MXene油水分离膜孔隙中的MXene清理掉，再次称重，得固载率约为0.15%。

图1 MXene油水分离膜的制备过程Fig.1 Preparation process of separation membrane

1.2 油水分离测试

使用颜料黄147(C37H21N5O4)对环己烷进行染色，以便观察油水分离过程。将染色的环己烷等与水混合获得油/水混合物(体积比1∶1)，观察到上层被染成黄色的环己烷与下层水有明显分层，测试前先机械搅拌一下混合再进行测试。将MXene油水分离膜用水润湿，固定在自制的油水分离装置中，对油/水混合物进行分离。分别测试MXene油水分离膜对环己烷、橄榄油、硅油、豆油等与水的油水混合物的分离效率。用环己烷与水的油水混合物测试MXene油水分离膜的可循环使用性能。改变环境的pH，测试MXene的耐酸碱性能。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

2.1.1 纤维表面形貌

使用JSM-7800F扫描电镜观察样品表面形态并对微区进行成分分析。由图2可以看出，通过多次层积与超声制备MXene油水分离膜，经过离子液体对纤维中棉纤维素的溶胀，MXene纳米片嵌入式覆盖于纤维表面。由图3可以看出，纤维表面均匀地分布Ti、C、O元素，表明MXene纳米片均匀、密集地覆盖在纤维上。

(a)涤棉布(对照)

(a)100倍电镜

2.1.2 纤维结晶结构

用XRD-7000型X射线衍射仪对MXene(Ti3C2Tx)纳米片的进行衍射(2θ=5°～70°)，分析其晶体结构。如图4所示，在基于涤棉布的油水分离膜的XRD曲线中，2θ=8.3°的位置出现MXene纳米片的特征衍射峰(002)，在2θ=14.8°，17.5°，22.8°，25.5°的位置出现基材涤棉织物的特征峰。结合图2、图3可以看出，MXene纳米片被均匀固载到基材涤棉织物上。

图4 MXene粉末与MXene分离膜的XRD谱图Fig.4 XRD spectra of MXene powder and MXene separa-tion membrane and cotton-polyester fabric

2.1.3 接触角测定

通过光学视频接触角测定仪来测量涤棉织物与MXene油水分离膜的接触角。如图5所示，涤棉织物在空气中的水接触角(125°左右)远大于MXene油水分离膜在空气中的水接触角(30°左右)，说明MXene纳米片的亲水性提高了涤棉织物的浸润性。在水中，涤棉织物的油接触角(30°左右)要小于MXene油水分离膜的油接触角(90°左右)，说明MXene油水分离膜具有疏油性。

(a)空气中水接触角

2.2 油水分离性能

2.2.1 油水分离实验对比

将体积比1∶1的油水混合物倒入测量装置，其中油被颜料黄147染成黄色以方便观察。如图6所示，使用涤棉织物进行分离时，油水混合物可以完全透过涤棉织物；使用MXene油水分离膜进行测试时，水可以完全透过分离膜，而油则无法通过，被留在膜上。这是由于MXene纳米片特殊的亲水性质，使MXene在被水润湿时，水分子被MXene捕捉形成水膜，而接触面的三相体系的表面能减弱，水可以顺利快速的通过MXene油水分离膜，而无油通过。

2.2.2 油水分离效率

油水分离效率(η)指的是油水分离后油的质量(m1)与分离前油的质量(m0)比，公式为

η=m1/m0

(a)涤棉织物(对照)

配制体积比1∶1的油水混合物，测试MXene油水分离膜的油水分离效率。如图7所示，该膜对油水混合物的分离效率都在98.4%以上，展现出优异的油水分离性能。

图7 油水分离效率对比Fig.7 Comparison of oil-water separation efficiency

2.2.3 MXene油水分离膜的重复使用

对MXene油水分离膜重复测试10次，记录MXene油水分离膜对环己烷与水混合物的油水分离效率。从图8可以看出，MXene油水分离膜使用10次后，膜的油水分离效率有所下降，但仍保持较高的分离效率，分离效率在98.5%以上。

图8 使用次数对分离效率的影响Fig.8 The influence of usage times on separation efficiency

2.2.4 pH对MXene油水分离效率的影响

将MXene分别在不同pH环境中浸泡10 h，干燥后用环己烷于与水的油水混合物测试油水分离效率。如图9所示，MXene的油水分离效率几乎没有下降，保持在98.8%以上，说明MXene油水分离膜具有很好的耐酸和耐碱性能。

图9 pH对分离效果的影响Fig.9 The influence of pH on the separation effect

3 结 论

MXene纳米片具有亲水性，以涤棉布为基体，使这种固载了MXene纳米片的油水分离膜可以实现高效油水分离，克服了油水分离处理方法效率低、成本高的问题。对涤棉织物与MXene油水分离膜的水接触角和油接触角进行对比，表明该膜相对于普通涤棉织物具有优秀的亲水疏油性。对MXene进行油水分离性能测试，结果表明该膜分离油水混合物的分离效率可达98.4%以上，循环使用10次后仍具有较高的分离效率，且MXene油水分离膜不受酸碱环境的影响。