[發明專利]基于磁性Janus顆粒的油水分離方法

有效

• 申請號: 202010469240.1
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111632405B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 楊振忠;梁福鑫
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B01D17/02
• 分類號: B01D17/02;B01D17/022;C02F1/40;C02F1/48;C02F101/30
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

本發明涉及一種基于磁性Janus顆粒的油水分離方法。本發明的油水分離方法包括以下步驟：a)將磁性Janus顆粒投入油水混合物中，使用高速剪切乳化機在13000～20000r/min下乳化或者使用高速攪拌機在300～5000r/min下乳化，形成包括連續相和由所述磁性Janus顆粒穩定的分散相的乳液體系，其中每個所述磁性Janus顆粒同時具有親水性部分和疏水性部分；b)向所述乳液體系施加外部磁場A，使得所述分散相聚集，以將所述乳液體系形成為具有富集有所述分散相的富集乳液部分和不含所述分散相的液體部分，進而將所述富集乳液部分和所述液體部分分離。

技術領域

本發明涉及油水分離方法，特別是涉及基于磁性Janus顆粒作為固體顆粒乳化劑的油水分離方法。

背景技術

在石油工業(石油開采、石油煉制及石油化工等)、機械工業、紡織工業、化妝品制造業、餐飲業或食品工業等工業領域中或者在水體保護領域中，通常會出現油物質和水體混合的情況。尤其是，由于油水混合物有時存在能起到乳化劑的作用的物質(使兩種或兩種以上互不相溶的組分的混合液體形成穩定的乳狀液的一類化合物)時，油水混合物中會存在乳狀液，甚至油水混合物整體為乳狀液。在乳狀液中，分散相以微滴(微米級)的形式分散在連續相中。乳化劑降低了混合體系中各組分的界面張力，并在微滴表面形成較堅固的薄膜或由于乳化劑給出的電荷而在微滴表面形成雙電層，阻止微滴彼此聚集，從而使乳狀液保持均勻。在此情況下，油相和水相難以徹底分離，極大地提高了油水分離的難度，限制乳化體系在萃取、分離、三次采油等方面應用，也會導致環境污染和資源浪費。

對此，傳統油水分離方法的基本原理是盡可能破壞油水混合物中的乳狀液或者近似乳狀液的界面穩定性，實現油水兩相的宏觀分層，再進行分離。例如氣浮、離心、添加破乳劑等方法。但現有方法普遍存在分離效率低、分離時間長、費用昂貴、易造成二次污染、不能重復循環利用、水不能達標排放和資源浪費等缺點。其中最關鍵的問題是乳化劑穩定的液滴難以快速聚并形成大尺寸的油相。

現有技術中公開了采用吸附材料進行油水分離的技術。例如，專利文獻1公開了一種超疏水磁性PS/SiO₂油水分離材料，其以四氧化三鐵為磁核，以PS為內殼，超疏水SiO₂為外殼。該油水分離材料對于含油廢水中的油具有吸附作用，可達到90％的水平。然而，該類技術的吸油能力有限并且依賴于待處理的含油廢水的組成；并且吸附了油的吸附材料通常需要特定的脫吸附過程，導致油水分離方法復雜化。

另外，現有技術中還公開了利用固體乳化劑的Pickering乳液的油水分離技術。例如，非專利文獻1中公開了基于P(NIPAM-co-AA)的磁性顆粒作為固體乳化劑用于油水分離的技術。然而，從該文獻中公開的照片中可見，雖然該類固體乳化劑可產生油水分離的效果，但是該效果并不能達到理想水平。

一側親水、一側親油的Janus顆粒具有類似小分子表面活性劑的兩親性，能夠作為一種固體乳化劑，穩定油水界面形成穩定的乳液。作為一種特殊的表面活性劑，具有雙親性的Janus顆粒兼具Pickering效應與降低表面張力的能力。此外，顆粒兩邊常常具有不同的潤濕性，可以顯著增強其乳化能力和乳液穩定性。當把Janus顆粒加入到乳液中時，Janus顆粒可以替代乳液表面的乳化劑分子，從而也參與油水界面的穩定。同時，將順磁性組成復合到Janus顆粒中，能夠得到磁性的Janus顆粒，成為一種新型的可磁回收固體乳化劑，能夠通過外加磁場富集。可磁回收固體乳化劑一方面能夠穩定油水界面形成穩定的乳液體系；另一方面能夠將其穩定的乳液液滴通過外加磁場富集，實現乳液體系的油水兩相的分離。該分離過程無需破乳，分離過程速度快、分離效果徹底。并且，磁性的Janus顆粒能夠回收并循環使用，降低成本并避免對環境的污染。

例如，專利文獻2中制備了磁性Janus顆粒并且將磁性Janus顆粒用于油水分離。然而，該專利文獻2中的油水分離效果依然難以達到理想的效果，并未對油水分離技術進行深入研究。

可見，對于建立能夠簡便且高效地進行油水分離的技術，依然存在改善的空間。