[发明专利]一种磁性超疏水中空碳微球、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种磁性超疏水中空碳微球、制备方法及应用，包括中空结构的超疏水碳壳层和被包覆于超疏水碳壳层内的磁性纳米粒子；超疏水碳壳层为多孔结构，且其表面具有多级微纳米表面凸起；磁性纳米粒子的含量为2～50wt％，超疏水碳壳层的含量为50wt％～98wt％；本发明磁性纳米粒子包覆于中空碳壳层内，可以阻隔磁性纳米粒子与外界环境直接接触，避免磁性纳米粒子与酸、碱等反应；磁性超疏水中空碳微球，耐酸碱、高盐性、表现稳定的超疏水性和超亲油性，其静态水接触角大于150°，油的接触角约为0°；可应用于油水分离吸附、自清洁防污、防结冰、光热转化和海水淡化领域。

技术领域

本发明涉及功能高分子材料技术领域，具体涉及一种磁性超疏水中空碳微球、制备方法及应用。

背景技术

近年来，含油污水的不断排放和溢油事故的频繁发生，导致油水污染问题日趋严重，这不仅对生态环境造成灾难性破坏，而且对人类健康造成严重危害。因此发展油水分离技术具有重要的实际意义和应用价值。常规的油水分离技术有重力驱动法、生物降解法、化学处理法等。但这些技术往往存在工艺复杂，成本高且分离效率偏低等局限性，限制了它们的开发和应用。目前，区别于传统油水分离方法，吸附法由于其便捷高效的优势，在油水分离领域引起了广泛关注。其中，磁性疏水颗粒作为一种典型的吸附剂，其油水分离效率高，可回收利用且无二次污染，在含油污水处理方面展现出广阔的应用前景。

现有的油水分离吸附剂，例如“一种双壳层疏水磁性微球及其制备方法”(CN108837801A)，先采用水热溶剂法制备磁性四氧化三铁纳米粒子，再在四氧化三铁纳米颗粒表面依次包覆耐腐蚀的二氧化硅和疏水性的碳层。该方法制备的磁性微球可同时用于不同酸碱环境中的有机物油珠吸附和油包水乳液分离，然而其制备周期较长，四氧化三铁纳米颗粒的制备温度较高。

例如“一种具有吸油功能的核壳结构磁性微球及其制备方法”(CN105964226A)；该方法以双乳液多核大孔微载体为模板，将掺杂有磁性纳米粒子的氧化石墨烯分散液灌注于微载体的孔洞内，固化后再通过还原剂作用将亲水性的氧化石墨烯还原成疏水性的石墨烯。该方法将水表吸油与水下吸油的功效合二为一，具有操作可控，安全性能高的特点。但是该方法涉及特殊的仪器设备装置和表面亲疏水性修饰，且制备工艺步骤较繁琐。

例如一种基于仿生花状含铁二氧化锰的可同时用于乳液分离和染料吸附的超疏水粉末的制备方法”(CN107215901A)。通过水热法制备花状含铁二氧化锰，其表面经硬脂酸修饰后表现良好的超疏水和超亲油性能，可分离水包油乳液和吸附染料。该方法制备简易，成本低廉，但是含铁二氧化锰具有助燃性和急性毒性。

虽然已有用于磁性疏水颗粒的制备工艺研究，但是现有的工艺手段一般要求特殊的仪器设备，并存在制备步骤较繁琐，应用范围狭窄等问题。此外，含油污水包含各种乳化剂稳定的微纳乳液，增大油水分离难度，降低油水分离效率。然而，关于可及时、快速、高效且循环地吸附溢油和分离乳化剂稳定的水包油或油包水微/纳乳液的磁性疏水颗粒的制备方法未见报道。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题提供一种吸附容量大、分离效率高、吸附分离时间短，可回收并循环使用的用于油水分离的磁性超疏水中空碳微球、制备方法及其他应用。

本发明采用的技术方案是：一种磁性超疏水中空碳微球，包括中空结构的超疏水碳壳层和被包覆于超疏水碳壳层内的磁性纳米粒子；超疏水碳壳层为多孔结构，且其表面具有多级微纳米表面凸起；按质量百分比计算，磁性纳米粒子的含量为2～50wt％，超疏水碳壳层的含量为50wt％～98wt％。

进一步的，所述磁性超疏水中空碳微球的粒径为1～500μm，磁性纳米粒子的粒径为2～50nm，超疏水碳壳层厚度为50～200nm，多孔结构的孔径范围为1～30nm，多级微纳米表面凸起为1～200nm的实心纳米碳颗粒。

进一步的，所述超疏水中空碳微球表面与水的静态接触角大于150°。

一种磁性超疏水中空碳微球的制备方法，包括以下步骤：