植物基油水分離研究進展

李笑穎,趙博武,俞 強,韓利華

(華北理工大學,河北 唐山 063210)

0 引言

石油泄漏會對環境產生不利影響,是人們面臨的嚴峻挑戰之一[1],而開發一種高效、環保、低成本的油水分離方法是解決問題有效方式之一。雖然人工合成材料效果好,但成本高且制備過程不環保,急需開發一種制備簡單、價格低廉、環境友好的油水分離材料。受荷葉表面超疏水性的啟發[2],植物基油水分離材料備受關注。天然植物材料中含有豐富的纖維素及復雜孔道,對油水分離具有較大的影響。通過構造微/納米結構及改性,可得到超親油或超親水材料,有效解決油水分離問題,且植物基材料具有可再生、生物降解等優點,利用親油性可以高效吸附油污,實現油水分離及廢棄物的無害化處理,具有環保效益。本研究將植物基材料分為過濾型與吸附型兩類,綜述了這兩類材料改性的研究進展。

1 過濾型植物基油水分離材料

過濾性油水分離材料實際上是選擇性的流體通道,僅允許油或水滲透。植物基過濾材料具有復雜的多孔孔道、潤濕性及良好的機械強度,有望成為油水分離膜的理想材料。天然植物基過濾材料對油、水的選擇性較弱,需要對面積孔隙及潤濕特性改性,改性方式分為物理改性和化學改性兩種。

1.1 過濾型物理改性

植物基過濾材料的物理改性方式包括改善潤濕特性與孔徑。研磨堆積可以將較硬的農業廢棄物用于油水分離,利用其本身的潤濕性、微納結構表面及傳質通道實現廢物回收利用,為植物基過濾材料的發展提供新思路。Zhao等[3]將花生殼研磨堆積成疏油親水的分離層,對油水混合物與油包水乳液分離效率較高,能夠多次循環利用。

由于植物本身具有一定的親水或親油的特性,利用本身性質壓縮成具有一定形狀的分離材料,可簡便有效地進行油水分離。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,反沖洗能夠延長使用壽命。

植物制備可切換潤濕性能分離膜,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,切換潤濕性,具有優異的穩定性及適應性。Yue等[6]制備了可切換潤濕性的三維空心多孔油菜花粉層,通過煅燒得到疏水性花粉層,通過蒸汽改性得到疏油性花粉層。

氣凝膠可用作油/水分離的過濾器,從水中連續分離大量油及有機溶劑,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]通過纖維素提取、冷凍干燥及高溫炭化制備了花生殼基生物質氣凝膠,具有多孔網狀結構。

植物基材還可以與其他分離材料結合,利用本身的油水選擇性優化分離膜的性能。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上,根據水與油的密度選擇性地去除,具有較好的化學穩定性。

1.2 過濾型化學改性

對植物基過濾材料的化學改性主要有表面改性、靜電紡絲技術等方法。表面改性在材料表面加入低表面能試劑,降低表面能,從而達到疏水特性。Bai等[9]將天然木材作為模板,通過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與聚苯乙烯納米復合材料沉積到梧桐樹葉上,獲得了粗糙的微/納結構。

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保且廉價易得,進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,需進行疏水改性。疏水改性方法可分為物理、化學及生物改性。

表2 植物基吸附型油水分離材料

2.1 吸附型物理改性

對植物基吸附材料的物理改性主要包括機械作用與高溫熱處理。機械作用改變材料物理形態;高溫熱處理可以將植物纖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]發現桂花鮮花表現出高黏附疏水性,桂花粉碎成粉末后仍具有較強的拒水性。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,能夠在外加磁場下移動,便于收集。Li等[16]通過高溫碳化過程中的石墨化與芳構化反應得到甘蔗基碳氣凝膠,具有理想的親油疏水性。物理改性的吸附材料方法簡單,不會產生有毒有害物質,但改性效果不徹底,對于高要求的應用場景,僅靠物理改性難以滿足需求,需采用更復雜的化學改性手段。

2.2 吸附型化學改性

化學改性方法包括酯化反應、表面改性及化學接枝等。植物纖維素中的羥基可通過酯化進行疏水改性,但需預處理減少或去除親水基團。堿處理可增加材料的表面粗糙度,作為酯化反應的預處理方式。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。王澤甲等[15]用雙氧水對木屑進行堿改性,使材料孔壁變薄,結構塌陷,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]用乙酸酐對柚子皮進行酯化改性,材料具有良好的保油及循環能力。

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、可生物降解等優點,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,再經十六烷基三甲氧基硅烷化學氣相沉積改性后表現出優異的超疏水性。

化學接枝是常用的化學改性手段,在植物基材料中接枝具有疏水功能的長鏈烷烴,能改善材料的潤濕特性。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,強化材料空間結構。

化學改性是常見的植物基材料改性方法,可以在材料表面或內部引入官能團,疏水親油性能得到明顯提高,反應迅速,成效好,不足之處是產物是否會造成二次污染及如何避免需要進一步研究。

2.3 吸附型生物改性

對植物基吸附材料的生物改性主要利用細菌、真菌、生物酶等對纖維素進行處理,該法改性后的材料不僅作用溫和,對環境也更為友好。藍舟琳等[18]利用綠色木霉對玉米秸稈進行固態發酵的生物改性方法,通過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引入有害物質,具有較好的環保性與生物相容性。缺點是時間較長,成本費用高,效果差,故在實際生活中不常利用。

3 展望

植物基材料是一種新型環保材料,在油水分離領域應用前景廣闊,具有來源廣泛、可再生、生物降解、制備簡單、環保等優點,已成功應用于油水分離,但仍需研究植物基材料的穩定性,延長使用壽命,探究高效分離與回收油水,實現材料再生利用,降低成本及環境影響。要實現植物基材料的大規模制備及工業化應用需解決生產成本與技術難題,提高其安全性及生物降解性,避免對環境及人體健康造成不良影響。隨著技術的不斷發展與創新,植物基材料將在環境保護與可持續發展方面發揮更重要的作用。