4種油料作物生物質吸油性能研究

李曉君，張世林，韓飛燕，張志軍，李會珍，陳 鐵

(1.中北大學 化學工程與技術學院，太原 030051； 2.天津大學 管理與經濟學部，天津 300072)

隨著經濟的發展，環境污染問題不僅影響我國的經濟社會可持續發展，同時對人民群眾的健康和宜居生態環境帶來了不可估量的影響[1]。油類污染已成為繼農藥污染之后，人類所面臨的又一重大環保問題。油類污染來源眾多，已不僅局限于傳統的石油行業，糧油加工、食品加工、飲食業等都會產生大量的含油廢水[2]；而且，其不僅會形成油膜隔絕空氣，同時可被水體中的好氧微生物氧化分解，進而消耗水體中的溶解氧，造成水體生物的生存環境惡劣而死亡。當前對含油廢水的初步處理方法仍在研究開發中，比較成熟的是物理吸附法、化學法和生物法[3-5]。吸附法是利用材料的吸油特性，使油體粘附在材料表面或材料內部，從而達到降低水體內油脂含量的一種方法。

常用的吸附劑來源廣泛，有機吸附材料包括合成橡膠、合成纖維和一些其他的石油產品的衍生物[6-8]；無機吸附材料包括活性炭、硅藻土等一些天然多孔礦物[9-10]。其中有機吸附材料吸附性能好，但造價較高；而一些無機材料，雖然造價低廉，但吸附效率低，且再生困難，應用條件有限。近年來，生物吸附材料[11-14]越來越被重視，一些天然植物秸稈含有多孔的纖維結構，是很好的吸附材料，同時這些植物秸稈屬于天然植物生物質，為可再生能源，吸油后的秸稈，可用于燃燒發電或食用菌培養等，也保證了資源的充分利用。

本研究選取向日葵秸稈、紫蘇秸稈、花生殼、核桃殼4種油料作物的天然廢棄生物質作為吸附材料，研究不同粒徑、吸附時間和吸附溫度對其吸油能力的影響，并測試其保油性能和疏水保油性能，為開發生物質油品吸附劑提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用天然吸附材料：向日葵秸稈、紫蘇秸稈、花生殼，中北大學生物資源化工研究所提供；核桃殼，市售核桃脫殼自制。試驗用油品：福臨門一級大豆油；92#汽油、0#柴油，中石化加油站。

20B型粉碎機，ME204型分析天平，PSBF-600型離心機，HFD-2型烘箱。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料預處理

將向日葵秸稈、紫蘇秸稈、花生殼、核桃殼用流水洗凈后烘干，錘片粉碎機粉碎后，采用不同目數的振動篩進行篩分，得到不同粒徑的材料，于60℃下烘干至恒重，存放于干燥器中備用。

1.2.2 吸油(水)試驗

準確稱取約1 g預處理過的材料，裝入自制的無紡布兜，浸入含有試驗對象的油(水)的量杯中，靜置一定時間，使其充分接觸。將布兜垂直懸掛，至無油(水)滴落稱重，同時用無紡空布兜做空白試驗[15]。做3次平行試驗，取平均值。按下式計算吸附量(Q)。

Q=(M2-M1-M0)/M

式中：M1為試驗前材料與所用布兜的質量，g；M2為試驗后材料與布兜的總質量，g；M0為無紡布兜吸油(水)的質量，g；M為材料質量，g。

1.2.3 保油性能試驗

將準確稱重的吸附飽和材料，在充氮條件下放入防爆三足離心機中，以4 000 r/min離心10 min，稱重。做3次平行試驗，取平均值。按下式計算保油率(△α)。

△α=(1-(m1-m2)/m1)×100%

式中：m1為離心前吸附飽和材料的質量，g；m2為離心后材料的質量，g。

2 結果與分析

2.1 材料吸油能力與粒徑的關系

分別稱取1 g左右粒徑為20、40、60、80目的4種吸附材料放入無紡布兜中，將其置于含有100 g大豆油的燒杯中，30℃下吸附60 min，考察不同粒徑對材料吸油能力的影響，結果見圖1。

圖1 不同粒徑對材料吸油能力的影響

由圖1可知，相同粒徑時，不同材料對大豆油的吸附能力有較大差異，同時同種材料在不同粒徑時的吸附能力差異性也較大。總體而言，不同材料的吸附能力大小依次為紫蘇秸稈>向日葵秸稈>核桃殼>花生殼；紫蘇秸稈在粒徑為20目時，吸附性能最優，吸附量達到了3.98 g/g，向日葵秸稈和核桃殼在粒徑40目時具有較好的吸附性能，吸附量分別為2.91 g/g和1.58 g/g，花生殼粒徑為60目時吸附性能最優，吸附量為1.01 g/g。材料粒徑對材料的性能有很大的影響，特別是對于吸附而言，材料粒徑越小，可用的比表面積越大，同時吸附的容量相對而言也就越大，但是粒徑過小，也會破壞材料原有的結構，影響吸附效果。

2.2 材料吸油能力與吸附時間的關系

分別選取粒徑為20目的紫蘇秸稈、40目的向日葵秸稈和核桃殼、60目的花生殼作為試驗對象。分別稱取1 g左右的待測材料，放于無紡布兜中，將其置于含有100 g大豆油的燒杯中，在30℃下，吸附時間設定為20、30、60、120、180、360 min和720 min，考察不同吸附時間對材料吸油能力的影響，結果見圖2。

圖2 不同吸附時間對材料吸油能力的影響

由圖2可知，隨著吸附時間的延長，不同材料對于大豆油的吸附量一開始均為增大的趨勢，但隨著吸附時間的進一步延長，吸附量逐漸趨于平緩，超過最佳吸附時間后，吸附量開始下降。花生殼的最佳吸附時間最短，30 min時吸附量最大，可達1.05 g/g，向日葵秸稈和紫蘇秸稈的最佳吸附時間為60 min，此時最大吸油量分別為2.91 g/g和3.98 g/g，核桃殼的最佳吸附時間較長，在120 min時吸附量達到最大，為1.65 g/g。對大豆油吸附量的大小與材料的性質有關，材料對油品的吸附首先是材料表面對油品分子的吸附作用，隨后油品分子向材料內部孔隙遷移，材料表面繼續吸附新的油品分子，所以一開始隨著時間的延長，試驗材料對油品的吸附量逐漸增大；但由于吸附材料的內部孔隙有限，隨著時間的繼續延長，吸附速率逐漸趨于平緩。

2.3 材料吸油能力與吸附溫度的關系

分別選取粒徑為20目的紫蘇秸稈、40目的向日葵秸稈和核桃殼、60目的花生殼作為試驗對象，稱取1 g左右待測材料，放入自制的無紡布兜中，將其置于含有100 g大豆油的燒杯中，吸附溫度設定為20、30、40、50、60℃，靜置60 min，考察不同吸附溫度對材料吸油能力的影響，結果見圖3。

圖3 不同吸附溫度對材料吸油能力的影響

由圖3可知，隨著吸附溫度的升高，不同材料對大豆油的吸附量表現為先增后減的趨勢，50℃時紫蘇秸稈達到最大吸附量(4.09 g/g)，向日葵秸稈、花生殼和核桃殼的最佳吸附溫度均為30℃，最大吸附量分別為2.91、1.01 g/g和1.58 g/g。材料對油品的吸附量與油品本身的性質有關。油品的黏度越大，越容易被吸附，但是隨著油品黏度的增大，油分子的運動速率就會降低，這將影響材料對油品的吸附。油品的黏度隨著溫度的升高而下降，溫度提升后油品分子運動速率加快，材料對于油的吸附量提高；但溫度高于一定程度后，油品黏度降低比較明顯，此時黏度對于材料吸油量起主要作用，材料吸油量反而降低。

2.4 4種材料對不同油品的吸附性能

分別選取粒徑為40目的向日葵秸稈和核桃殼、20目的紫蘇秸稈、60目的花生殼作為試驗對象，在吸附溫度30℃、吸附時間60 min條件下，研究4種材料對大豆油、汽油和柴油的吸附性能，結果見表1。

表1 4種材料對不同油品的吸油性能

由表1可知，試驗材料對汽油、柴油和大豆油都具有一定的吸附效果，但對不同油品的吸附性能是不同的。同種材料對不同油品的吸附能力的差異性也較大，黏度較高的油品，材料對其吸附能力較強，4種材料對大豆油的吸附效果均強于柴油和汽油。與此同時，油品的密度也可能會對生物材料的吸油量產生影響，吸附材料對油品的吸附與其密度正相關。3種油品的黏度和密度如表2所示。

表2 不同油品的密度和黏度

2.5 不同材料的保油性能

分別選取粒徑為40目的向日葵秸稈和核桃殼、20目的紫蘇秸稈、60目的花生殼作為試驗對象，在吸附溫度30℃、吸附時間60 min條件下，分別吸附大豆油、汽油和柴油，分別測試其保油性能，結果見表3。由表3可知，4種吸附材料均具有一定的保油性能，但與吸油性能有較大的差異。核桃殼和花生殼的保油能力較好，但其吸油性能較差；紫蘇秸稈的吸油能力最佳，但其保油性能偏差，對大豆油的保油性能較核桃殼低5.9個百分點，這可能與兩者的纖維素含量差異有關，核桃殼的纖維素含量低于紫蘇秸稈導致其吸油量偏低，但自身含有的官能團易與油品發生相關親和作用，使其不易漏油。

表3 不同吸附材料的保油性能

2.6 不同材料的疏水保油性能

分別選取粒徑為40目的向日葵秸稈和核桃殼、20目的紫蘇秸稈、60目的花生殼作為試驗對象，在吸附溫度30℃、吸附時間60 min條件下，驗證試驗材料的疏水保油性能，結果見圖4。

注：油水比以吸油量/吸水量表示。

由圖4可知，向日葵秸稈的吸水能力最強，為3.87 g/g，其次為紫蘇秸稈，為3.57 g/g。油水比依次為向日葵秸稈<花生殼<核桃殼<紫蘇秸稈，其中紫蘇秸稈的油水比可達1.12。天然植物含纖維素比較多，纖維素具有親水疏油的特性，為了能充分地利用天然植物生物質，可以采用物理或者化學等方法對其改性，增加其親油性能。

3 結 論

向日葵秸稈、紫蘇秸稈、花生殼和核桃殼的最佳吸油粒徑分別為40、20、60目和40目；最佳吸附時間分別為60、60、30 min和120 min；最佳吸附溫度分別為30、50、30℃和30℃；4種材料的最大吸油量依次為紫蘇秸稈>向日葵秸稈>核桃殼>花生殼。

4種材料對3種不同油品的吸附能力依次為大豆油>柴油>汽油；4種材料的保油性能依次為核桃殼>花生殼>紫蘇秸稈>向日葵秸稈；油水比依次為紫蘇秸稈>核桃殼>花生殼>向日葵秸稈。

與合成纖維材料相比，4種油料作物生物質的吸油性能稍弱，但作為農業廢棄物具有來源廣泛和成本低廉的優勢，同時材料本身對環境無毒無害，吸附飽和后可作為培養食用菌的基質、生物肥料或焚燒處理，均無二次污染；同時為了進一步提升其吸附性能，可通過相應的綠色化工工藝對其進行改性處理，增加其吸附性能，應用前景非常廣闊。