植物基油水分離研究進(jìn)展

李笑穎,趙博武,俞 強(qiáng),韓利華

(華北理工大學(xué),河北 唐山 063210)

0 引言

石油泄漏會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響,是人們面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一[1],而開(kāi)發(fā)一種高效、環(huán)保、低成本的油水分離方法是解決問(wèn)題有效方式之一。雖然人工合成材料效果好,但成本高且制備過(guò)程不環(huán)保,急需開(kāi)發(fā)一種制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、環(huán)境友好的油水分離材料。受荷葉表面超疏水性的啟發(fā)[2],植物基油水分離材料備受關(guān)注。天然植物材料中含有豐富的纖維素及復(fù)雜孔道,對(duì)油水分離具有較大的影響。通過(guò)構(gòu)造微/納米結(jié)構(gòu)及改性,可得到超親油或超親水材料,有效解決油水分離問(wèn)題,且植物基材料具有可再生、生物降解等優(yōu)點(diǎn),利用親油性可以高效吸附油污,實(shí)現(xiàn)油水分離及廢棄物的無(wú)害化處理,具有環(huán)保效益。本研究將植物基材料分為過(guò)濾型與吸附型兩類,綜述了這兩類材料改性的研究進(jìn)展。

1 過(guò)濾型植物基油水分離材料

過(guò)濾性油水分離材料實(shí)際上是選擇性的流體通道,僅允許油或水滲透。植物基過(guò)濾材料具有復(fù)雜的多孔孔道、潤(rùn)濕性及良好的機(jī)械強(qiáng)度,有望成為油水分離膜的理想材料。天然植物基過(guò)濾材料對(duì)油、水的選擇性較弱,需要對(duì)面積孔隙及潤(rùn)濕特性改性,改性方式分為物理改性和化學(xué)改性兩種。

1.1 過(guò)濾型物理改性

植物基過(guò)濾材料的物理改性方式包括改善潤(rùn)濕特性與孔徑。研磨堆積可以將較硬的農(nóng)業(yè)廢棄物用于油水分離,利用其本身的潤(rùn)濕性、微納結(jié)構(gòu)表面及傳質(zhì)通道實(shí)現(xiàn)廢物回收利用,為植物基過(guò)濾材料的發(fā)展提供新思路。Zhao等[3]將花生殼研磨堆積成疏油親水的分離層,對(duì)油水混合物與油包水乳液分離效率較高,能夠多次循環(huán)利用。

由于植物本身具有一定的親水或親油的特性,利用本身性質(zhì)壓縮成具有一定形狀的分離材料,可簡(jiǎn)便有效地進(jìn)行油水分離。Zhao等[4]以燈心草為原料壓縮制備新型分離柱,燈心草顆粒具有疏水親油特性,反沖洗能夠延長(zhǎng)使用壽命。

植物制備可切換潤(rùn)濕性能分離膜,為乳液按需分離提供新策略。Long等[5]將雞腿菇粉碎活化后與海藻酸鈉的懸浮液浸出到PVDF膜上,切換潤(rùn)濕性,具有優(yōu)異的穩(wěn)定性及適應(yīng)性。Yue等[6]制備了可切換潤(rùn)濕性的三維空心多孔油菜花粉層,通過(guò)煅燒得到疏水性花粉層,通過(guò)蒸汽改性得到疏油性花粉層。

氣凝膠可用作油/水分離的過(guò)濾器,從水中連續(xù)分離大量油及有機(jī)溶劑,為低成本材料制備疏水吸油材料提供了一種綠色策略。Dai等[7]通過(guò)纖維素提取、冷凍干燥及高溫炭化制備了花生殼基生物質(zhì)氣凝膠,具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

植物基材還可以與其他分離材料結(jié)合,利用本身的油水選擇性優(yōu)化分離膜的性能。Li等[8]將玉米芯粉末與水性聚氨酯混合物噴涂在不銹鋼網(wǎng)上,根據(jù)水與油的密度選擇性地去除,具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。

1.2 過(guò)濾型化學(xué)改性

對(duì)植物基過(guò)濾材料的化學(xué)改性主要有表面改性、靜電紡絲技術(shù)等方法。表面改性在材料表面加入低表面能試劑,降低表面能,從而達(dá)到疏水特性。Bai等[9]將天然木材作為模板,通過(guò)用十二烷硫醇的乙醇溶液處理涂層木片,以降低表面能。Latthe等[10]將SiO2與聚苯乙烯納米復(fù)合材料沉積到梧桐樹(shù)葉上,獲得了粗糙的微/納結(jié)構(gòu)。

2 吸附型植物基油水分離材料

吸附型油水分離材料常用于處理水中的油。植物基吸附材料綠色環(huán)保且廉價(jià)易得,進(jìn)行疏水改性可提高其吸油與保油能力。植物基含有大量的纖維素、木質(zhì)素及半纖維素,纖維素表面的羥基親水,不利于油水分離,需進(jìn)行疏水改性。疏水改性方法可分為物理、化學(xué)及生物改性。

表2 植物基吸附型油水分離材料

2.1 吸附型物理改性

對(duì)植物基吸附材料的物理改性主要包括機(jī)械作用與高溫?zé)崽幚怼C(jī)械作用改變材料物理形態(tài);高溫?zé)崽幚砜梢詫⒅参锢w維中的羥基與羥基脫水縮合,提高疏水性能。付專等[11]在超聲條件下將燈心草纖維引入聚氨酯彈性體,使燈心草具備壓縮回彈的能力。Zhu等[12]發(fā)現(xiàn)桂花鮮花表現(xiàn)出高黏附疏水性,桂花粉碎成粉末后仍具有較強(qiáng)的拒水性。物理方法還包括噴涂、磁化、碳化等。李峰等[13]在棉短絨材料表面上噴涂硅油,降低材料的吸水率。鄒君臣等[14]用三氯化鐵制備出磁性柚子皮,能夠在外加磁場(chǎng)下移動(dòng),便于收集。Li等[16]通過(guò)高溫碳化過(guò)程中的石墨化與芳構(gòu)化反應(yīng)得到甘蔗基碳?xì)饽z,具有理想的親油疏水性。物理改性的吸附材料方法簡(jiǎn)單,不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì),但改性效果不徹底,對(duì)于高要求的應(yīng)用場(chǎng)景,僅靠物理改性難以滿足需求,需采用更復(fù)雜的化學(xué)改性手段。

2.2 吸附型化學(xué)改性

化學(xué)改性方法包括酯化反應(yīng)、表面改性及化學(xué)接枝等。植物纖維素中的羥基可通過(guò)酯化進(jìn)行疏水改性,但需預(yù)處理減少或去除親水基團(tuán)。堿處理可增加材料的表面粗糙度,作為酯化反應(yīng)的預(yù)處理方式。在堿性條件下纖維素分子鏈與氫鍵斷裂,使羥基游離,更易與酯化劑反應(yīng)。王澤甲等[15]用雙氧水對(duì)木屑進(jìn)行堿改性,使材料孔壁變薄,結(jié)構(gòu)塌陷,增大比表面積。目前酯化改性常用乙酸酐作酯化劑,鄒君臣等[14]用乙酸酐對(duì)柚子皮進(jìn)行酯化改性,材料具有良好的保油及循環(huán)能力。

植物纖維素制成的氣凝膠具有比表面積大、孔隙率高、密度低、可生物降解等優(yōu)點(diǎn),是一種有前途的吸油材料。Chen等[17]將粉碎后的玉米秸稈與聚乙烯醇黏合利用冷凍干燥制備氣凝膠,再經(jīng)十六烷基三甲氧基硅烷化學(xué)氣相沉積改性后表現(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性。

化學(xué)接枝是常用的化學(xué)改性手段,在植物基材料中接枝具有疏水功能的長(zhǎng)鏈烷烴,能改善材料的潤(rùn)濕特性。鄒君臣等[14]以柚子皮為原料,將苯乙烯接枝共聚,增加疏水親油性,強(qiáng)化材料空間結(jié)構(gòu)。

化學(xué)改性是常見(jiàn)的植物基材料改性方法,可以在材料表面或內(nèi)部引入官能團(tuán),疏水親油性能得到明顯提高,反應(yīng)迅速,成效好,不足之處是產(chǎn)物是否會(huì)造成二次污染及如何避免需要進(jìn)一步研究。

2.3 吸附型生物改性

對(duì)植物基吸附材料的生物改性主要利用細(xì)菌、真菌、生物酶等對(duì)纖維素進(jìn)行處理,該法改性后的材料不僅作用溫和,對(duì)環(huán)境也更為友好。藍(lán)舟琳等[18]利用綠色木霉對(duì)玉米秸稈進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵的生物改性方法,通過(guò)降低材料中纖維素及半纖維素的含量,使玉米秸稈表面變得粗糙,從而更好地吸附原油。生物改性方法通常不會(huì)引入有害物質(zhì),具有較好的環(huán)保性與生物相容性。缺點(diǎn)是時(shí)間較長(zhǎng),成本費(fèi)用高,效果差,故在實(shí)際生活中不常利用。

3 展望

植物基材料是一種新型環(huán)保材料,在油水分離領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,具有來(lái)源廣泛、可再生、生物降解、制備簡(jiǎn)單、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),已成功應(yīng)用于油水分離,但仍需研究植物基材料的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)使用壽命,探究高效分離與回收油水,實(shí)現(xiàn)材料再生利用,降低成本及環(huán)境影響。要實(shí)現(xiàn)植物基材料的大規(guī)模制備及工業(yè)化應(yīng)用需解決生產(chǎn)成本與技術(shù)難題,提高其安全性及生物降解性,避免對(duì)環(huán)境及人體健康造成不良影響。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新,植物基材料將在環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮更重要的作用。