用于选择性地分离水和油的超亲水性过滤结构

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；和第二过滤层，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。所述第一过滤层和所述第二过滤层的表面具有第一细小的微米尺度凸-凹结构和第二细小的纳米尺度凸-凹结构，因此实现超亲水性质并且选择性地使来自水和油中的水穿过。

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亲水性过滤结构。

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；和第二过滤层，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。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，并且因此具有超亲水性并且选择性地允许来自水和油的混合物 的水穿过第一过滤层和第二过滤层。

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。

水层可以存在于第一过滤层与第二过滤层之间。水层可以通过仅允许 水穿过过滤结构或通过将过滤结构浸渍在水中来形成。

吸附层可以存在于第一过滤层与第二过滤层之间。吸附层可以包括选 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、可以用于多种目的、并且能够以高效率从 水和油的混合物中分离油并且容易地收集油。

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是示出在图1中示出的过滤结构的应用实施例的图。

图6A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6B是在水被滴到根据其中第一细小的凸出和凹陷结构和第二细小 的凸出和凹陷结构未被形成的对比实施例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一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；和第二过滤层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。

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 中的每个可以由金属板形成，所述金属板包括多个开口。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 沿着第一细小的细小的凸出和凹陷结构31的曲线以纳米尺度形成。因此， 第一过滤层10和第二过滤层20具有超亲水性表面，所述超亲水性表面由 于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 具有少于10°的接触角。

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。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。其中液体的接触角少于90°的情况被称为“亲水性”并且 其中液体的接触角少于10°的情况被称为“超亲水性”。

以微米尺度的第一细小的凸出和凹陷结构31向第一过滤层10和第二 过滤层20赋予亲水性。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向第一过滤层10和第二 过滤层20赋予超亲水性。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与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与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。

在过滤结构100中，如果第二细小的凸出和凹陷结构32通过阳极氧 化法形成，第一过滤层10和第二过滤层20可以由可以被阳极氧化的金属 例如铝或钛形成。

因为第一过滤层10和第二过滤层20的表面呈现出超亲水性，过滤结 构100具有高润湿性并且允许水容易地穿过过滤结构100。因此，当允许 溶液比如油和水的混合物穿过过滤结构100时，水容易地穿过第一过滤层 10和第二过滤层20，但油由于相对于水的排斥力不能穿过第一过滤层10 和第一过滤层20。

此时，第一过滤层10和第二过滤层20包括水于其间。即，水层40 存在于在第一过滤层10与第二过滤层20之间。水层40可以通过仅允许 水穿过过滤结构100或通过在使用过滤结构100之前将过滤结构100浸渍 在水中来形成。

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， 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，并且水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，水容易地穿过 过滤结构100，然而油由于相对于水层40的排斥力不能穿过过滤结构100。 因此，过滤结构100可以从水和油的混合物中选择性地排放水并且以高效 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，除了吸附层50存在于第一过滤层10与第二过滤层20之间 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。

吸附层50具有吸收和存储水以便将水层保持在第一过滤层10与第二 过滤层20之间的作用。因此，包括吸附层50的过滤结构110可以(甚至在 高压下)防止水层的偏离。此外，吸附层50具有防止由压力引起的过滤结 构110的变形的作用。

吸附层50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。

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 示例性实施方案或第二个示例性实施方案的过滤结构相同的构造。

虽然图4示出其中加固构件60被定位在吸附层50的中心处的实施例， 仅有加固构件60可以存在于第一过滤层10与第二过滤层20之间而没有 吸附层50。

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。第三个示例性实施方案的过滤结构120可以具有 用加固构件60改进的结构稳定性。

图5是示出上文描述的过滤结构的应用实施例的图。

参考图5，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。例如，在油从船上泄漏的情况下，过滤结构100可以以 网的形式被安装在海面上以便包围泄漏在海面上的油。

过滤结构100包括超亲水性表面，并且因此不允许油穿过所述超亲水 性表面，但仅允许水穿过所述超亲水性表面。因此，仅有油被收集在包围 泄漏在海面上的油的过滤结构100的内部，并且水流出过滤结构100。因 此，油可以在一个地方容易地聚集并且分离的油可以被容易地收集。

图6A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6B是在水被滴到根据其中第一细小的凸出和凹陷结构和第二细小 的凸出和凹陷结构未被形成的对比实施例的过滤结构后取得的照片。

参考图6A，示例性实施方案的过滤结构由于双尺度细小的结构具有以 少于10°的液体的接触角的超亲水性，并且呈现出优良的润湿性。然而， 参考图6B，确认的是，对比实施例的过滤结构具有多于90°的液体的接触 角并且具有低润湿性。

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。