用于选择性地分离水和油的超疏水性过滤结构

摘要

提供一种用于使用润湿性性质有效地分离水和油的过滤结构。所述过滤结构包括：第一过滤层，其具有多个开口；第二过滤层，其具有多个开口并且当与所述第一过滤层隔开时，重叠所述第一过滤层；以及疏水性聚合物层，其在所述第一过滤层和所述第二过滤层的表面形成。所述第一过滤层和所述第二过滤层的表面具有通过将微米尺度和纳米尺度组合获得的双尺度的凸-凹结构。所述疏水性聚合物层沿着所述凸-凹结构的曲线形成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够选择性地分离水和油的过滤结构，并且更特别地 涉及一种能够使用润湿性有效地分离水和油的过滤结构。

背景技术

由包含大量油的工业废水和从船上泄漏的油引起的水污染对生态系 统具有灾难性的影响，并且需要极大量的经济成本和时间以恢复被污染的 区域。由于这个原因，已提出用于将水与废水中的油和泄漏在海面上的油 分离的技术。

作为分离水和油的常规技术，吸附法和重力分离法是已知的。吸附法 是仅用吸附剂选择性地吸收油的方法。此方法受限于一次被除去的油的 量，并且通过处理吸收油的吸附剂可能引起另外的成本和二次环境污染。

重力分离法是使用水和油之间的重力差除去漂浮在水上的油的方法， 并且不使用消耗品比如吸附剂，这导致成本减少。然而，这种方法在分离 油中具有低效率，并且分离的油包括大量的水，这使得难以回收分离的油。

公开内容

技术问题

本发明已经努力提供具有简单的结构并且能够以高效率从水和油的 混合物中分离并且收集油的超疏水性过滤结构。

技术解决方案

本发明的示例性实施方案提供过滤结构，所述过滤结构包括：第一过 滤层，其包括多个开口；第二过滤层，其包括多个开口并且被定位以便在 某个距离处与第一过滤层彼此重叠；以及疏水性聚合物层，其在第一过滤 层和第二过滤层的表面上形成。第一过滤层和第二过滤层包括各自具有作 为微米尺度结构和纳米尺度结构的组合的双尺度的凸出和凹陷结构的表 面，并且疏水性聚合物层沿着凸出和凹陷结构的曲线形成。

第一过滤层和第二过滤层中的每个可以由金属网形成，所述金属网由 以网的形式的金属线制成。

凸出和凹陷结构可以包括以微米尺度形成的第一细小的凸出和凹陷 结构和沿着第一细小的凸出和凹陷结构的曲线在第一细小的凸出和凹陷 结构的表面上以纳米尺度形成的第二细小的凸出和凹陷结构。第一细小的 凸出和凹陷结构可以通过喷砂、喷丸、等离子蚀刻、放电处理以及激光处 理中的任何一种方法形成。第二细小的凸出和凹陷结构可以通过阳极氧化 法形成。

疏水性聚合物层可以包括选自以下的至少一种疏水性材料：氟树脂、 氟基硅烷偶联剂、氟基异氰酸酯化合物、烷烃硫醇、有机硅烷化合物、脂 肪酸、芳香族叠氮化合物、其混合物、以及其聚合物。

疏水性聚合物层可以通过用疏水性材料涂覆凸出和凹陷结构的方法 形成。另外，疏水性聚合物层可以通过在疏水性材料与第一过滤层和第二 过滤层的表面之间的共价键以单分子层或多分子层的形式存在。油层可以 存在于第一过滤层和第二过滤层之间。油层可以通过仅允许油穿过过滤结 构或通过将过滤结构浸渍在油中来形成。

由海绵形成的油吸附层可以存在于第一过滤层和第二过滤层中的任 何一个的外部。油吸附层可以存在于第一过滤层与第二过滤层之间，并且 可以包括选自水凝胶、硅胶、活性氧化铝、沸石、活性炭、织物、以及海 绵的至少一种。

加固构件可以存在于第一过滤层与第二过滤层之间。加固构件可以被 形成为金属杆、金属网、聚合物杆以及聚合物网中的任何一种。

有益效果

过滤结构具有简单的结构并且具有对油和水的分离具有较少影响的 开口尺寸，并且其也可以容易地从吸收油的过滤结构中收集油以便被回 收。

附图描述

图1是示出根据本发明的第一个示例性实施方案的过滤结构的示意 图。

图2是在图1中示出的第一过滤层和第二过滤层的表面的放大图。

图3是示出根据本发明的第二个示例性实施方案的过滤结构的示意 图。

图4是示出根据本发明的第三个示例性实施方案的过滤结构的示意 图。

图5是示出根据本发明的第四个示例性实施方案的过滤结构的示意 图。

图6是示出上文描述的过滤结构的应用实施例的图。

图7A是在水被滴到根据本示例性实施方案的过滤结构后取得的照片。

图7B是在油被滴到根据本示例性实施方案的过滤结构后取得的照片。

发明方式

参考其中本发明的示例性实施方案被示出的附图，在下文中将更充分 地描述本发明。如本领域技术人员将认识到，描述的实施方案可以以多种 不同的方式修改，所有这些不脱离本发明的精神或范围。

图1是示出根据本发明的第一个示例性实施方案的过滤结构的示意 图，并且图2是在图1中示出的第一过滤层和第二过滤层的表面的放大图。

参考图1和图2，根据本发明的第一个示例性实施方案的过滤结构100 包括：第一过滤层10，其包括多个开口；第二过滤层20，其包括多个开 口并且被定位以便在某个距离处与第一过滤层10彼此重叠；以及疏水性 聚合物层30，其在第一过滤层10和第二过滤层20的表面上形成。

第一过滤层10和第二过滤层20中的每个可以由金属网形成，所述金 属网由以网的形式的金属线制成。另外，第一过滤层10和第二过滤层20 中的每个可以由包括多个开口的金属板形成。金属网可以被柔性地变形并 且具有高强度，并且因此如与金属板相比其可以被有效地应用。

第一过滤层10和第二过滤层20包括表面，在所述表面上，第一细小 的凸出和凹陷结构31以微米尺度形成并且第二细小的凸出和凹陷结构32 沿着第一细小的凸出和凹陷结构31的曲线以纳米尺度形成。因此，在第 一过滤层10和第二过滤层20的表面上形成作为微米尺度结构和纳米尺度 结构的组合的双尺度的凸出和凹陷结构。

本文中，微米尺度意指1μm或更多到少于1000μm的范围内的尺寸， 并且纳米尺度意指1nm或更多到少于1000nm的范围内的尺寸。

以微米尺度的第一细小的凸出和凹陷结构31可以通过喷砂、喷丸、 等离子蚀刻、放电处理以及激光处理中的任何一种方法形成。

喷砂是其中通过使用压缩空气喷涂细小的沙粒以便与目标物体碰撞 来形成细小的凸出和凹陷的方法。在喷丸中，称为“弹丸(shot)”或“砂砾 (grit)”的金属或非金属的细小的颗粒被喷涂以便在目标物体上形成细小的 凸出和凹陷。

在等离子蚀刻中，代替蚀刻溶液的气体等离子体被用来蚀刻目标物体 的表面以便在目标物体的表面上形成细小的凸出和凹陷。放电处理是其中 用通过放电产生的高温热熔化目标物体的表面并且然后再固化并且细小 的凸出和凹陷由在目标物体的被放电的表面上的不规则的裂纹和泡状物 (bubble)形成的方法。在激光处理中，通过向目标物体辐照高功率激光脉冲 并且烧蚀其表面来形成细小的凸出和凹陷。

以纳米尺度的第二细小的凸出和凹陷结构32可以通过阳极氧化法形 成。

用于阳极氧化法的阳极氧化装置(未示出)可以包括其中冷却水被循环 的循环槽和以恒定的速度搅拌槽内的电解质溶液的磁力搅拌器。阳极氧化 法通过将第一过滤层10和第二过滤层20以及对电极浸入槽内的电解质溶 液中并且向第一过滤层10和第二过滤层20以及对电极分别应用阳极电源 和阴极电源来进行。

随着阳极氧化法继续进行，氧化物膜在第一过滤层10和第二过滤层 20的表面上形成，并且以纳米尺度的细小的凹槽在氧化物膜上形成。氧化 物膜和细小的凹槽沿着第一细小的凸出和凹陷结构31的曲线形成，并且 因此在第一过滤层10和第二过滤层20的表面上形成作为第一细小的凸出 和凹陷结构31和第二细小的凸出和凹陷结构32的组合的双尺度的凸出和 凹陷结构。

如果疏水性聚合物层30不存在，第一过滤层10和第二过滤层20由 于凸出和凹陷结构具有超亲水性表面。然而，在本示例性实施方案中，第 一过滤层10和第二过滤层20由于疏水性聚合物层30具有超疏水性表面。 润湿性意指水对固体表面的润湿容易程度，并且可以通过某种液体与固体 表面之间的接触角测量。其中液体的接触角多于90°的情况被称为“疏水 性”并且其中液体的接触角多于150°的情况被称为“超疏水性”。

疏水性聚合物层30可以包括选自以下的至少一种疏水性材料：氟树 脂、氟基硅烷偶联剂、氟基异氰酸酯化合物、烷烃硫醇、有机硅烷化合物、 脂肪酸、芳香族叠氮化合物、其混合物、以及它们的聚合物。

疏水性聚合物层30可以通过用疏水性材料涂覆第一过滤层10和第二 过滤层20的凸出和凹陷结构的方法来形成。本文中，涂覆可以通过将过 滤结构浸入涂覆溶液中或使用低压喷涂器用涂覆溶液涂覆表面、用核酸和 蒸馏水洗涤表面、并且在高温烤箱中干燥表面来进行。

此外，疏水性聚合物层30可以通过疏水性材料与第一过滤层10和第 二过滤层20的表面之间的化学键形成。具体地说，疏水性材料可以通过 疏水性材料与第一过滤层10和第二过滤层20的表面之间的共价键以单分 子层或多分子层的形式存在。

疏水性聚合物层30的材料本身具有疏水性，并且因为疏水性聚合物 层30在第一过滤层10和第二过滤层20的凸出和凹陷结构上被形成为非 常小的厚度，其具有与凸出和凹陷结构相同的图案。即，疏水性聚合物层 30沿着第二细小的凸出和凹陷结构32的曲线被形成为恒定的厚度，而没 有填补第二细小的凸出和凹陷结构32。疏水性聚合物层30可以被形成为 具有到5nm范围内的厚度的单分子层。

疏水性聚合物层30包括对应于峰的较高部分和对应于谷的较低部分， 并且对应于峰的部分作为微凸出物起作用以实现疏水性。此外，在疏水性 聚合物层30上形成以便对应于以纳米尺度的第二细小的凸出和凹陷结构 32的凸出结构作为纳米凸出物起作用以实现超疏水性。

疏水性聚合物层30包括微凸出物与纳米凸出物之间的空气，并且因 此使相对于水的接触区域最小化。因此，包括疏水性聚合物层30的第一 过滤层10和第二过滤层20具有各自具有多于150°的接触角的超疏水性表 面。

因为第一过滤层10和第二过滤层20呈现出超疏水性，过滤结构100 对水是排斥的，并且因此水不能穿过过滤结构100。然而，因为油具有比 水更低的表面能，油渗透到过滤结构100内，并且油能够容易地穿过过滤 结构100。

在第一过滤层10与第二过滤层20之间存在空间，并且当使用过滤结 构100时，空间装载有预先确定量的油。即，在第一过滤层10与第二过 滤层20之间存在油层40。油层40可以通过仅允许油穿过过滤结构100或 通过在使用过滤结构100之前将过滤结构100浸渍在油中来形成。

虽然图1示出其中过滤结构100包括两个过滤层10和20的实施例， 过滤结构100可以包括三个或更多个过滤层。在任何情况下，每个过滤层 被定位成远离其邻近的过滤层，并且油层存在于两个邻近的过滤层之间。

如果在恒压下允许水和油的混合物穿过过滤结构100，油容易地穿过 过滤结构100，然而水由于由第一过滤层10与第二过滤层20之间的油层 40引起的排斥力不能穿过过滤结构100。因此，过滤结构100可以选择性 地从水和油的混合物中排放油并且以高效率分离水和油。

图3是示出根据本发明的第二个示例性实施方案的过滤结构的示意 图。

参考图3，除了油吸附层51存在于第一过滤层10和第二过滤层20中 的任何一个的外部之外，第二个示例性实施方案的过滤结构110具有与上 文描述的第一个示例性实施方案的过滤结构相同的构造。与第一个示例性 实施方案的构件相同的构件分别被指定相同的参考数字。

油吸附层51可以由海绵形成，并且过滤结构110防止分离的油以免从 过滤结构110中泄漏并且再污染水。油吸附层51保留穿过过滤结构110 的油，并且只有油可以通过拧挤油吸附层51来收集并且收集的油可以被 回收。

图4是示出根据本发明的第三个示例性实施方案的过滤结构的示意 图。

参考图4，除了油吸附层52存在于第一过滤层10与第二过滤层20之 间之外，第三个示例性实施方案的过滤结构120具有与上文描述的第一个 示例性实施方案的过滤结构相同的构造。与第一个示例性实施方案的构件 相同的构件分别被指定相同的参考数字。

油吸附层52具有吸收和存储油的作用以便将油层保持在第一过滤层 10与第二过滤层20之间。因此，包括油吸附层52的过滤结构120可以(甚 至在高压下)防止油层的偏离。此外，油吸附层52具有防止由压力引起的 过滤结构的变形的作用。

油吸附层52可以包括选自水凝胶、硅胶、活性氧化铝、沸石、活性 炭、织物、海绵的至少一种。

图5是示出根据本发明的第四个示例性实施方案的过滤结构的示意 图。

参考图5，除了加固构件60存在于第一过滤层10与第二过滤层20之 间之外，第四个示例性实施方案的过滤结构130具有与上文描述的第一个 示例性实施方案至第三个示例性实施方案的过滤结构相同的构造。

图5示出其中油吸附层52被定位于第一过滤层10与第二过滤层20 之间并且加固构件60被定位在油吸附层52的中心处的实施例。

加固构件60具有支撑第一过滤层10和第二过滤层20以便不被高压 变形的作用。加固构件60可以被形成为金属杆、金属网、聚合物杆以及 聚合物网中的任何一种。第四个示例性实施方案的过滤结构130可以具有 用加固构件60改进的结构稳定性。

图6是示出上文描述的过滤结构的应用实施例的图。

参考图6，过滤结构100可以按照多种形状和多种尺寸被制造，这取 决于使用的目的，并且可以被制造成例如具有均匀的宽度和广度的方形 网。在油从船上泄漏的情况下，过滤结构100可以被扔到泄漏在海面上的 油上。

过滤结构100包括超疏水性表面，并且因此仅允许油穿过过滤结构 100。泄漏在海面上的油的油组分穿过过滤结构100以便存储在过滤结构 100内或油吸附层内。因此，油可以通过过滤结构100容易地聚集，并且 油可以从收集的过滤结构中分离并且然后被回收。

图7A是在水被滴到根据本示例性实施方案的过滤结构后取得的照片， 并且图7B是在油被滴到根据本示例性实施方案的过滤结构后取得的照片。 参考图7A和图7B，可以确认的是，本示例性实施方案的过滤结构呈现出 相对于水的超疏水性并且呈现出相对于油的超亲油性。

虽然已经结合目前被认为是实用的示例性实施方案的那些来描述本 发明，应理解的是，本发明不限于公开的实施方案，但相反地被意图包括 被包括在所附权利要求的精神和范围内的多种修改和等效的布置。