發(fā)泡聚丙烯對含油廢水的吸附性能研究

謝紅麗+衛(wèi)新來+沈兵兵+王小丹+俞志敏

摘 要：發(fā)泡聚丙烯材料是一種性能卓越的復(fù)合材料，具有原料來源豐富、質(zhì)量輕、耐化學(xué)腐蝕、可回收利用、親油疏水等優(yōu)良特性。該文以發(fā)泡聚丙烯泡沫為吸油材料，研究了時間、溫度、振蕩頻率等因素對其吸附柴油性能的影響。結(jié)果顯示：（1）發(fā)泡聚丙烯具有優(yōu)異的飽和吸油能力，其飽和吸附倍率為9.5g/g，飽和吸附時間為25min；（2）吸油速率隨著溫度升高而加快，在30℃下發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸附速率達(dá)到最高；（3）振蕩頻率的增加，可以促進(jìn)發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附作用；（4）改性后的發(fā)泡聚丙烯泡沫與普通發(fā)泡聚丙烯泡沫相比，更具有良好的處理效果，其中以添加陶粉改性的發(fā)泡聚丙烯泡沫材料的處理效果最佳，對柴油的飽和吸附倍率為10.5g/g。

關(guān)鍵詞：發(fā)泡聚丙烯；吸附性能；吸附倍率；污水

中圖分類號 X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）22-90-03

石油有“黑色黃金”、“經(jīng)濟(jì)血液”之稱，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域[1]。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對能源需求的增加，其應(yīng)用范圍還在繼續(xù)拓展，消耗量也日趨增大[2]。在原油的開采、加工、運(yùn)輸、煉制和使用過程中，由于受到工藝水平和處理技術(shù)的限制，大量含油類物質(zhì)的廢水、廢渣不可避免地被排入到水體中，對海洋生態(tài)環(huán)境和淡水生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞[3-4]。水中的溢油、油漬不僅降低海洋和淡水環(huán)境的質(zhì)量，影響食物鏈的循環(huán)，破壞生態(tài)平衡，還威脅著人類的健康。而要解決這些問題，就迫切需要開發(fā)出高效、耐用、清潔的吸油材料[5-7]。吸油材料主要可分為三大類，即無機(jī)吸油材料、有機(jī)合成吸油材料和有機(jī)天然吸油材料[8]。發(fā)泡聚丙烯泡沫是一種性能卓越的高結(jié)晶復(fù)合材料，具有親油性、疏水性以及良好的吸附性能，易制備、可重復(fù)使用。發(fā)泡聚丙烯泡沫不僅可回收再利用，而且可以自然降解，不會造成白色污染，因而被稱為“綠色”泡沫[9]。聚丙烯泡沫由于其良好的力學(xué)性能、優(yōu)良的耐熱性能及利于環(huán)境保護(hù)的性質(zhì)，是繼傳統(tǒng)的聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫及聚乙烯泡沫之后的新一代泡沫材料，有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備 發(fā)泡聚丙烯泡沫由合肥匯通中科材料有限公司提供，其基本物理性質(zhì)如下：發(fā)泡倍率30，比表面積4.13m2/g，堆密度42kg/m3，開孔率>80%，孔徑50～150μm。0#柴油購于中石化加油站，電子分析天平（SN028）由陜西環(huán)宇儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)，數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-4）和恒溫振蕩器（DS-52）由上海南榮實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 本實(shí)驗(yàn)主要研究發(fā)泡聚丙烯對含油廢水的處理效果，設(shè)定不同的時間、溫度、震蕩頻率，測其吸油倍率，并對發(fā)泡聚丙烯泡沫材料進(jìn)行改性處理，測定改性后的吸附能力。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足重現(xiàn)性，實(shí)驗(yàn)條件控制在20℃。吸油倍率的計算是利用在一定時間內(nèi)單位材料所吸附的油量來表征，公式如下：

[吸油倍率=泡沫吸附后重量-泡沫吸附前重量泡沫吸附前重量]

2 結(jié)果與討論

2.1 不同時間對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸附性能的影響 從圖1可以看出，泡沫聚丙烯泡沫材料對柴油的吸附能力強(qiáng)，隨著時間的增加，其吸油量也隨之增加。在0～10min的吸油過程中，吸油動力較大，儲油空間也較大，所以吸油速度快，吸油量增幅較大，其中在2min時吸油倍率達(dá)到7.4g/g，在10min達(dá)到8.8g/g。超過10min，隨著吸附時間的延長，材料吸油量趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)緩慢上升的情況。25min之后，其吸油量基本保持不變，并且在此區(qū)間吸油倍率達(dá)到最大值，呈飽和吸附狀態(tài)。

2.2 不同的溫度對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸附性能的影響 同種材料對不同吸附質(zhì)，甚至對同種吸附對象在不同溫度的情況下，其吸附性能是不一樣的。實(shí)驗(yàn)選取5min吸油時間來研究溫度變化對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸油性能的影響。由圖2可以看出，隨著溫度的增加，發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的5min吸附倍率呈現(xiàn)增長的趨勢。原因是溫度的升高，導(dǎo)致油品的粘度發(fā)生變化，從而改變油向各種材料內(nèi)部間隙擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而影響到了材料的吸油性能。一般而言，油品的粘度小，吸油材料的吸油性能也高。由圖2還可以看出，在0～10℃，吸附曲線上升比較緩慢；在10～25℃，材料對柴油的吸附倍率增長較快，25℃時吸附倍率達(dá)8.5g/g；在25～40℃，材料對柴油的吸附倍率雖有一定的增長，但增長十分緩慢，這可能是由于25℃以后溫度升高對油品的粘度影響越來越小。總體來說，溫度對發(fā)泡聚丙烯泡沫的影響比較明顯，溫度的升高更有利于提高材料的吸附量。

圖2 溫度對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸附柴油的影響

2.3 不同震蕩頻率對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸附性能的影響 實(shí)驗(yàn)采用恒溫振蕩器來研究發(fā)泡聚丙烯泡沫材料對柴油吸附性能的影響，設(shè)定振蕩頻率為0次/min、10次/min、20次/min、30次/min、40次/min、50次/min、60次/min，控制溫度為20℃，吸附時間分別為5min和1h，測定發(fā)泡聚丙烯泡沫材料對柴油的吸油量，如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)吸油時間為5min時，隨著振蕩頻率的增加，發(fā)泡聚丙烯泡沫材料對柴油的吸油量是逐漸增加的，吸油量由振蕩頻率為0次/min時的8.2g/g左右增加到當(dāng)振蕩頻率為60次/min的8.9g/g左右，說明增加振蕩頻率有利于提高發(fā)泡聚丙烯泡沫材料對柴油的吸附速率，即可以提高發(fā)泡聚丙烯泡沫材料的吸附性能；當(dāng)吸油時間設(shè)定為1h時，隨著振蕩頻率的增加，發(fā)泡聚丙烯泡沫材料對柴油的吸油量基本保持在9.3g/g左右不變，說明此時吸油量已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，振蕩頻率的增加對發(fā)泡聚丙烯泡沫材料的吸油性能的影響很小甚至沒有影響。

圖3 震蕩頻率對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸附效果的影響

2.4 改性發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油吸附結(jié)果 發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸附性能除了與吸附時的環(huán)境條件有關(guān)，還與本身的性質(zhì)有很大關(guān)系。為進(jìn)一步增加其吸油能力，分別添加20%的陶粉和活性炭對泡沫材料進(jìn)行改（下轉(zhuǎn)123頁）（上接91頁）性。改性后的發(fā)泡聚丙烯泡沫在溫度為20℃，靜態(tài)條件下對柴油的飽和吸附效果如圖4所示。從圖4可以看出，不同類型材料的飽和吸附量是有差別的，其中普通發(fā)泡聚丙烯材料對柴油的飽和吸附量為9.2g/g，添加陶粉改性的發(fā)泡聚丙烯泡沫材料為10.5g/g，添加活性炭改性的發(fā)泡聚丙烯泡沫材料為9.7g/g。說明改性后的發(fā)泡聚丙烯泡沫與普通發(fā)泡聚丙烯泡沫相比，更具有良好的處理效果，其中以添加陶粉改性的發(fā)泡聚丙烯的吸附倍率最高。改性后的發(fā)泡聚丙烯之所以會達(dá)到這樣的效果，其原因可能在于：一是陶粉和活性炭成分本身就具有較好的吸附性能，二是改性后的發(fā)泡聚丙烯的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化，從而增強(qiáng)了吸附性能。

圖4 改性發(fā)泡聚丙烯泡沫的飽和吸附倍率

3 結(jié)論

通過在不同影響因素下對發(fā)泡聚丙烯材料吸附含油廢水性能的測試，結(jié)果表明：

（1）發(fā)泡聚丙烯泡沫浸入柴油后的吸油倍率能在25min達(dá)到9.5g/g，超過25min后發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附倍率曲線趨于水平，增長緩慢，說明已經(jīng)基本達(dá)到吸附飽和。溫度的升高有利于提高材料的吸附量，在30℃時發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸附速率最高。

（2）隨著振蕩頻率的增加，發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附速率逐漸上升，但震蕩頻率的高低對泡沫材料的飽和吸附倍率沒有影響。

（3）改性后的發(fā)泡聚丙烯材料與普通發(fā)泡聚丙烯材料相比，更具有良好的處理效果，其中以陶粉改性發(fā)泡聚丙烯泡沫材料的處理效果最佳，對柴油的飽和吸附倍率為10.5g/g。

參考文獻(xiàn)

[1]王文華，邱金泉，寇希元，等.吸油材料在海洋溢油處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化工新型材料，2013，41（7）：151-154.

[2]夏文香，林海濤，張英，等.海上溢油的污染控制技術(shù)[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報，2004，25（1）：54-57.

[3]Sharpe S，Mackay D.A framework for evaluating bioaccumulation in food webs[J].Environmental Sciences and Technology，2000，（34）：2373-2379.

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[8]Zhu Haitao，Qiu Shanshan，Jiang Wei，et al.Evaluation of Electrospun Polyvinyl Chloride/Polystyrene Fibers As Sorbent Materials for Oil Spill Cleanup[J].Environmental Science&Technology，2011，45（10）：4527-4531.

[9]Abdullah M.A.，Rahmah Anisa，Man Z. Physicochemical and sorption characteristics of Malaysian Ceiba pentandra（L.）gaertn. as a natural oil sorbent[J].Journal of Hazardous Materials，2010，177（1-3）：683-691.

（責(zé)編：張宏民）

圖3 震蕩頻率對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸附效果的影響

2.4 改性發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油吸附結(jié)果 發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸附性能除了與吸附時的環(huán)境條件有關(guān)，還與本身的性質(zhì)有很大關(guān)系。為進(jìn)一步增加其吸油能力，分別添加20%的陶粉和活性炭對泡沫材料進(jìn)行改（下轉(zhuǎn)123頁）（上接91頁）性。改性后的發(fā)泡聚丙烯泡沫在溫度為20℃，靜態(tài)條件下對柴油的飽和吸附效果如圖4所示。從圖4可以看出，不同類型材料的飽和吸附量是有差別的，其中普通發(fā)泡聚丙烯材料對柴油的飽和吸附量為9.2g/g，添加陶粉改性的發(fā)泡聚丙烯泡沫材料為10.5g/g，添加活性炭改性的發(fā)泡聚丙烯泡沫材料為9.7g/g。說明改性后的發(fā)泡聚丙烯泡沫與普通發(fā)泡聚丙烯泡沫相比，更具有良好的處理效果，其中以添加陶粉改性的發(fā)泡聚丙烯的吸附倍率最高。改性后的發(fā)泡聚丙烯之所以會達(dá)到這樣的效果，其原因可能在于：一是陶粉和活性炭成分本身就具有較好的吸附性能，二是改性后的發(fā)泡聚丙烯的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化，從而增強(qiáng)了吸附性能。

圖4 改性發(fā)泡聚丙烯泡沫的飽和吸附倍率

3 結(jié)論

通過在不同影響因素下對發(fā)泡聚丙烯材料吸附含油廢水性能的測試，結(jié)果表明：

（1）發(fā)泡聚丙烯泡沫浸入柴油后的吸油倍率能在25min達(dá)到9.5g/g，超過25min后發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附倍率曲線趨于水平，增長緩慢，說明已經(jīng)基本達(dá)到吸附飽和。溫度的升高有利于提高材料的吸附量，在30℃時發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸附速率最高。

（2）隨著振蕩頻率的增加，發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附速率逐漸上升，但震蕩頻率的高低對泡沫材料的飽和吸附倍率沒有影響。

（3）改性后的發(fā)泡聚丙烯材料與普通發(fā)泡聚丙烯材料相比，更具有良好的處理效果，其中以陶粉改性發(fā)泡聚丙烯泡沫材料的處理效果最佳，對柴油的飽和吸附倍率為10.5g/g。

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（責(zé)編：張宏民）

圖3 震蕩頻率對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸附效果的影響

2.4 改性發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油吸附結(jié)果 發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸附性能除了與吸附時的環(huán)境條件有關(guān)，還與本身的性質(zhì)有很大關(guān)系。為進(jìn)一步增加其吸油能力，分別添加20%的陶粉和活性炭對泡沫材料進(jìn)行改（下轉(zhuǎn)123頁）（上接91頁）性。改性后的發(fā)泡聚丙烯泡沫在溫度為20℃，靜態(tài)條件下對柴油的飽和吸附效果如圖4所示。從圖4可以看出，不同類型材料的飽和吸附量是有差別的，其中普通發(fā)泡聚丙烯材料對柴油的飽和吸附量為9.2g/g，添加陶粉改性的發(fā)泡聚丙烯泡沫材料為10.5g/g，添加活性炭改性的發(fā)泡聚丙烯泡沫材料為9.7g/g。說明改性后的發(fā)泡聚丙烯泡沫與普通發(fā)泡聚丙烯泡沫相比，更具有良好的處理效果，其中以添加陶粉改性的發(fā)泡聚丙烯的吸附倍率最高。改性后的發(fā)泡聚丙烯之所以會達(dá)到這樣的效果，其原因可能在于：一是陶粉和活性炭成分本身就具有較好的吸附性能，二是改性后的發(fā)泡聚丙烯的結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化，從而增強(qiáng)了吸附性能。

圖4 改性發(fā)泡聚丙烯泡沫的飽和吸附倍率

3 結(jié)論

通過在不同影響因素下對發(fā)泡聚丙烯材料吸附含油廢水性能的測試，結(jié)果表明：

（1）發(fā)泡聚丙烯泡沫浸入柴油后的吸油倍率能在25min達(dá)到9.5g/g，超過25min后發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附倍率曲線趨于水平，增長緩慢，說明已經(jīng)基本達(dá)到吸附飽和。溫度的升高有利于提高材料的吸附量，在30℃時發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸附速率最高。

（2）隨著振蕩頻率的增加，發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附速率逐漸上升，但震蕩頻率的高低對泡沫材料的飽和吸附倍率沒有影響。

（3）改性后的發(fā)泡聚丙烯材料與普通發(fā)泡聚丙烯材料相比，更具有良好的處理效果，其中以陶粉改性發(fā)泡聚丙烯泡沫材料的處理效果最佳，對柴油的飽和吸附倍率為10.5g/g。

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[9]Abdullah M.A.，Rahmah Anisa，Man Z. Physicochemical and sorption characteristics of Malaysian Ceiba pentandra（L.）gaertn. as a natural oil sorbent[J].Journal of Hazardous Materials，2010，177（1-3）：683-691.

（責(zé)編：張宏民）