[發明專利]碳納米管負載碳紙及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810148535.1
• 申請日: 2018-02-13
• 公開（公告）號: CN110141886B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 趙宇鑫;劉全楨;孫曉明;武川;劉歡;高鑫;張健中;王林
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中石化安全工程研究院有限公司;北京化工大學
• 主分類號: B01D17/022
• 分類號: B01D17/022
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 戴香蕓;劉兵

本發明涉及分離材料領域，公開了一種碳納米管負載碳紙及其制備方法和應用。本發明的碳納米管負載碳紙包括碳紙基底、原位形成在所述碳紙基底的碳紙纖維上的碳納米管、以及包覆在所述碳納米管外部的疏水聚合物修飾層，所述疏水聚合物選自聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯中的一種或多種。本發明的碳納米管負載碳紙具有超疏水?超親油的特殊浸潤性，從而實現油水混合溶液的大通量、高效分離，非常適宜作為分離膜材料使用。

技術領域

本發明涉及分離材料領域，具體涉及一種碳納米管負載碳紙及其制備方法和應用。

背景技術

石油資源開采與運輸日趨頻繁，由此帶來的溢油事故與污染也越來越嚴重，給生態環境帶來的巨大的危害。例如“埃克森·瓦爾迪茲號”油輪泄漏、美國墨西哥灣原油泄漏等事故，導致的損失高達數百億美元；大連新港油罐區原油泄漏、蓬萊油田溢油事故對海洋生態環境造成嚴重的污染損害，損失達數十億人民幣。

溢油事件發生后，對溢油的快速處置是降低災害的重要途徑；而利用吸附材料對溢油進行吸附、回收與再利用，是溢油處置的有效方法。由于溢油容易擴散、揮發，且在自然波浪作用下容易乳化，因此，用于溢油處置的吸附材料必須具備：吸油速率快、吸油率高、吸水率低、對薄油層吸附能力強等特征。傳統油水分離吸附材料主要是一些多孔的吸附劑，如沸石、活性炭、樹脂等，然而這些材料存在著吸油能力差、吸油的同時還吸水、后期處理難度大和無法重復使用等缺點。

近年來興起的仿生技術為溢油處置吸附材料的發展提供了新思路，通過表面微納結構的設計和低表面處理，可有效提高吸油材料吸油、憎水性，同時由于表面微納結構導致的毛細作用力，使得其對薄油層的吸附能力大大增強。然而，微納結構的強度相對較低、在惡劣環境和高強度循環使用過程中易發生性能衰退，且低成本大面積生產相對困難。

發明內容

本發明的目的是為了克服傳統分離材料分離效率低、循環穩定性差和選擇性不佳等問題，提供一種碳納米管負載碳紙及其制備方法和應用，本發明從材料的表面潤濕性出發，以碳紙為基底，采用原位生長法制備陣列式碳納米管并用疏水材料修飾，從而制備出了超疏水超親油材料，以實現油水分離。

為了實現上述目的，本發明一方面提供一種碳納米管負載碳紙，其中，該碳納米管負載碳紙包括碳紙基底、原位形成在所述碳紙基底的碳紙纖維上的碳納米管、以及包覆在所述碳納米管外部的疏水聚合物修飾層，所述疏水聚合物選自聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯中的一種或多種。

優選地，所述碳納米管在單根碳紙纖維上放射狀形成。

優選地，所述疏水聚合物為聚四氟乙烯。

優選地，相對于1重量份所述碳紙，所述碳納米管為1.0-1.5重量份。

優選地，所述碳納米管負載碳紙的水接觸角大于145°。

優選地，所述碳納米管負載碳紙的分離效率為90％以上。

本發明第二方面提供一種碳納米管負載碳紙的制備方法，該方法包括：

1)在碳紙基底的碳紙纖維表面形成金屬催化劑層；

2)通過氣相沉積在碳紙基底的碳紙纖維上原位形成碳納米管；

3)在步驟2)得到的產物上包覆疏水聚合物修飾層，所述疏水聚合物選自聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯中的一種或多種。

優選地，所述金屬催化劑層含有鈷的氫氧化物中的一種或多種。

更優選地，所述金屬催化劑層通過將金屬的水溶性鹽、尿素、氟化銨進行水熱反應形成。

更優選地，以金屬元素計，所述金屬的水溶性鹽與所述尿素、所述氟化銨的摩爾比為1：5-10：2-4。

更優選地，所述水熱反應的條件包括：溫度為120-160℃，時間為12-24h。