熔体微分静电纺丝纳米纤维膜分离油水乳液的研究

作     者：谢超 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邢健;左岩

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：熔体静电纺丝 纳米纤维 膜分离 乳液 

摘      要：为了提高采收率,进入开发后期的油田通常采用强化注水等技术来保持油藏压力和较大的驱动力,这使得原油含水乳化,水分难以被分离。静电纺丝技术作为一种制备连续聚合物纳米纤维的方法,为聚合物膜的制备提供了新的契机。静电纺丝纳米纤维膜的多孔结构、高渗透性和特殊的表面性能在油包水乳液分离中具有极大的应用潜力。单一纤维膜层无法有效分离复杂的乳液,所以根据根据乳液分离机理制备具有相对应的功能的膜层是目前的研究重点。为此,本文设计了复合多级纳米纤维膜,包括聚结层和亲油疏水的分离层。并根据不同层需要选择不同的添加剂,调控其添加比例及工艺条件,成功制备了绿色高效的分离膜。具体研究内容如下:(1)通过熔体微分电纺聚乳酸(PLA)纳米纤维膜分离油包水乳液。当纺丝电压40kV,纺丝距离70 mm,纺丝温度240℃、接收时间为3 min时,在重力驱动下油通量达到1054L/(m2·h),分离效率达到90.4%。同时,对制备的PLA纳米纤维膜进行多巴胺涂覆表面亲水改性,其水接触角从128°下降至26°具有超亲水性。亲水PLA纤维膜能有效进行破乳聚结,油包水乳液中水珠平均尺寸由2.7μm增至25.2μm。可以作为复合多级纳米纤维膜的最外层纳米纤维聚结层。(2)在可降解的PLA中加入疏水改性的纳米二氧化硅(SiO2)颗粒进行熔融共混后通过熔体微分静电纺丝制备纳米纤维膜,可提升PLA纤维膜拉伸强度和纤维膜的疏水性能。当纺丝电压40kV,纺丝距离70mm,纺丝温度260℃,SiO2质量分数为6%时制备的纤维膜水接触角为138°,油接触角达到30°,其疏水亲油性能得到提高,同时纤维拉伸强度提高到48.9MPa。可作为复合多级纳米纤维膜的中间支撑分离层。(3)为进一步提高分离效率,在PLA纤维中加入硅油进行共混改性,能有效降低PLA材料的粘度。在纺丝电压40kV,纺丝距离70mm,纺丝温度240℃,硅油质量分数为4%时制备的纤维平均直径为480nm,水接触角为142°,疏水性能良好,纤维膜孔径集中分布在5～7μm,可以有效对油包水乳液中较小水珠进行拦截,对油包水乳液中水珠的截留率达到95%以上。可以作为复合多级纳米纤维膜内层超细分离层。综上,上述三种纤维膜可以满足表层聚结破乳,内层高效分离,且具备更高强度的复合多级纤维膜。