發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸油特性研究

沈兵兵， 俞志敏， 吳文濤， 衛(wèi)新來， 吳 克， 王小丹

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥學(xué)院 生物與環(huán)境工程系，安徽 合肥 230601；3.安徽省環(huán)境污染防治與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230601）

隨著現(xiàn)代石油工業(yè)和海上油運(yùn)的飛速發(fā)展，各類油品的使用和運(yùn)輸已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可分割的一部分［1］。油類排入水體會嚴(yán)重影響水質(zhì)環(huán)境，有效的油品吸附技術(shù)以及對含油污水凈化材料的研究與開發(fā)備受關(guān)注［2］。

吸油材料按其不同的獲得途徑可以分為天然無機(jī)吸油材料、天然有機(jī)吸油材料和化學(xué)合成類吸油材料［3］。天然的無機(jī)和有機(jī)吸油材料都存在著飽和吸油量小，油水選擇性差，吸油后懸浮性能差等缺點(diǎn)，因此在環(huán)境污染處理中的實(shí)用性較低［4］?；瘜W(xué)合成類材料吸油性能較優(yōu)異，目前，化學(xué)合成類吸油材料的研究也最為引人關(guān)注，是當(dāng)下吸油材料的發(fā)展方向［5］。

發(fā)泡聚丙烯是一種性能卓越的復(fù)合材料［6］，它具有原料來源豐富、質(zhì)量輕、耐高溫等特性［7－8］。發(fā)泡聚丙烯泡沫屬于多孔材料，具有較大的比表面積［9］。本文測試了發(fā)泡聚丙烯泡沫的油水選擇性、吸附動力學(xué)、對不同油品的吸附性能，并對發(fā)泡聚丙烯泡沫的重復(fù)利用性、耐溫性以及對水面浮油的去除效果進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

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，該材料的基本性能參數(shù)如下：堆密度為31kg／m3，尺寸為R7mm×8mm，發(fā)泡倍率為30，比表面積為4.117m2／g。0＃柴油購于中石化加油站，食用油為金龍魚黃金比例食用調(diào)和油，99%甲苯為上海振企化學(xué)試劑品有限公司產(chǎn)品，機(jī)油為康普頓加能600。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：AEY－120型電子分析天平（湘儀天平儀器設(shè)備有限公司）、CU600高精度恒溫?cái)?shù)顯水浴鍋（上海南榮實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、DD－5M落地式離心機(jī)（長沙平凡儀器儀表有限公司）。

1.2 吸油材料的性能測定

（1）吸附性能測試。準(zhǔn)確稱取一定量發(fā)泡聚丙烯泡沫，在一定溫度下將樣品投入裝有油品的容器中，達(dá)到相應(yīng)時間后將樣品取出，懸空靜置5min，并迅速稱取質(zhì)量［10］。吸附倍率公式為：

其中，m1和m2分別為吸油前、后發(fā)泡聚丙烯泡沫的質(zhì)量；q為吸附倍率。

（2）重復(fù)利用性能實(shí)驗(yàn)。將放置一定時間的發(fā)泡聚丙烯泡沫從被吸油品中取出，懸空靜置5min稱取質(zhì)量并計(jì)算出其吸油倍率，然后將其置于離心機(jī)中離心脫油，并再次稱取質(zhì)量，離心脫油后的發(fā)泡聚丙烯泡沫重新投入被吸油品中進(jìn)行再次吸附。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 發(fā)泡聚丙烯泡沫重復(fù)利用性能測試流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡聚丙烯泡沫的油水選擇性

油水選擇性是評價吸油材料性能的重要參數(shù)［11］。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別測試發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸油倍率和對水的吸水倍率。發(fā)泡聚丙烯泡沫的油水選擇性如圖2所示。

圖2 發(fā)泡聚丙烯泡沫的油水選擇性

由圖2可知，在0～10min，發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附倍率增長較快，在10min時對柴油的吸附倍率可以達(dá)到8.8g／g；在10～30min，材料對柴油的吸附倍率增長緩慢；當(dāng)時間超過30min材料對柴油的吸附倍率幾乎沒有增加。在0～10min發(fā)泡聚丙烯泡沫對水的吸附倍率緩慢增長，在10min時材料的吸水倍率為0.3g／g；當(dāng)時間超過10min，材料對水的吸附量穩(wěn)定在0.3g／g左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)泡聚丙烯泡沫具有良好的油水選擇性，是親油疏水性材料。

2.2 吸附動力學(xué)

不同時間時發(fā)泡聚丙烯泡沫在25℃下對柴油的吸附倍率曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，發(fā)泡聚丙烯泡沫浸入柴油后的吸油倍率能在1min達(dá)到7.6g／g，在15min達(dá)到9.2g／g，在20min達(dá)到9.4g／g；超過20min后發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附倍率幾乎不增長。

將發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附動力學(xué)數(shù)據(jù)按照偽二級吸附動力學(xué)方程進(jìn)行擬合［12］。偽二級吸附動力學(xué)方程可表示為：

其中，qe、qt分別為吸附達(dá)到平衡時和吸附時間為t時的吸附倍率；k為吸附速率常數(shù)。將（1）式積分得到：

e和截距求出。將發(fā)泡聚丙烯泡沫吸附達(dá)飽和吸附倍率95%所需的吸附時間定義為飽和吸附時間［13］。對圖3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二級動力學(xué)方程擬合，擬合曲線如圖3所示，偽二級吸附動力學(xué)方程可以很好地描述發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸附過程，

圖3 吸油倍率和偽二級吸附動力學(xué)方程擬合曲線

2.3 發(fā)泡聚丙烯泡沫對不同油品的吸附效果

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中油品使用的實(shí)際狀況，選取了4種具有代表性的油品，分別為甲苯、柴油、機(jī)油和食用油。

由2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的飽和吸附時間為22min，所以本實(shí)驗(yàn)分別選取5min和1h2個時間節(jié)點(diǎn)測試發(fā)泡聚丙烯泡沫對不同油品的吸附效果，結(jié)果如圖4所示，可見發(fā)泡聚丙烯泡沫對于各類油品都有較好的吸附效果。由圖4可知，當(dāng)吸附時間為5min時發(fā)泡聚丙烯泡沫對不同種類油品的吸附倍率有較大差別，對甲苯的吸附倍率最高（8.5g／g），對食用油的吸附倍率相對較低（5.5g／g）。然而在1h測得的發(fā)泡聚丙烯泡沫對甲苯、柴油、機(jī)油和食用油的飽和吸附倍率都在9.5g／g左右。這可能是由于發(fā)泡聚丙烯泡沫對油品的吸附倍率受到油品密度和黏度的影響，從而導(dǎo)致在5min時測得的發(fā)泡聚丙烯泡沫對不同種油品的吸附倍率不同；從1h測得的吸附倍率可以看出在吸附時間充分的情況下，發(fā)泡聚丙烯泡沫對各類油品都能有穩(wěn)定的吸附量。

圖4 發(fā)泡聚丙烯泡沫對不同種油品的吸附

2.4 發(fā)泡聚丙烯泡沫的重復(fù)利用性能

重復(fù)利用性也是吸油材料性能優(yōu)良的體現(xiàn)，良好的重復(fù)利用性可以大大減少處理污染的費(fèi)用。本文選取飽和吸油倍率和凈吸油倍率2個指標(biāo)對發(fā)泡聚丙烯泡沫的重復(fù)利用性能進(jìn)行研究，凈吸油倍率指發(fā)泡聚丙烯泡沫去除經(jīng)過離心脫油后殘留在泡沫內(nèi)部的油品量而重新吸附的油品量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的飽和吸油倍率在重復(fù)利用8次時仍能達(dá)到9.5g／g；在重復(fù)利用多次時發(fā)泡聚丙烯泡沫的凈吸油量也穩(wěn)定在6.5g／g左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該材料的重復(fù)利用性能優(yōu)異，在多次重復(fù)利用后，發(fā)泡聚丙烯泡沫仍然能保持穩(wěn)定的吸附倍率，這大大減少了資源的消耗并節(jié)約成本。2.5 溫度對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸油性能的影響

圖5 發(fā)泡聚丙烯泡沫的重復(fù)利用性

由于工業(yè)生產(chǎn)工藝的不同，含油污水的溫度也會不同，而且油水溫度會隨著季節(jié)的變化而變化，研究溫度對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸油性能的影響很有必要。發(fā)泡聚丙烯泡沫在不同溫度條件下對柴油的吸附性能如圖6所示。

圖6 溫度對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸油性能的影響

當(dāng)吸附時間為5min時，可以看出發(fā)泡聚丙烯泡沫在低溫環(huán)境下的吸油量相對較低，在溫度達(dá)到30℃時發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸油效果最好，當(dāng)溫度高于30℃時，發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸油倍率變化不明顯。在吸附時間為1h時，發(fā)泡聚丙烯泡沫在不同溫度下的吸油倍率都能達(dá)到9.5g／g左右。溫度對發(fā)泡聚丙烯泡沫吸油飽和前的影響比較明顯，因?yàn)殡S著溫度的升高，油品的黏度降低，這使得油品更容易通過發(fā)泡聚丙烯泡沫的吸附作用進(jìn)入內(nèi)部而導(dǎo)致吸油材料的吸油倍率增加［14］。但是只要發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸附時間足夠，在0～50℃的溫度下都能達(dá)到9.5g／g的吸油倍率。

2.6 發(fā)泡聚丙烯泡沫對水面浮油的去除實(shí)驗(yàn)

油類污染的危害主要是水面浮油對水質(zhì)造成的影響，本實(shí)驗(yàn)測試了發(fā)泡聚丙烯泡沫對水面浮油的去除效果，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，將一定量的發(fā)泡聚丙烯泡沫投入10mm厚的油面中，泡沫快速吸附水面上的浮油，在30min后，發(fā)泡聚丙烯泡沫因吸油而沉浸在油品中，并漂浮在水面上。篩網(wǎng)濾油后，剩余油膜厚度為3mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)泡聚丙烯泡沫對水面浮油的去除效果好，能夠在短時間內(nèi)去除水面上的浮油，并且吸油后不下沉，這有利于吸油泡沫的回收利用。

圖7 發(fā)泡聚丙烯泡沫對水面浮油的去除效果

3 結(jié) 論

（1）發(fā)泡聚丙烯泡沫具有良好的親油性和疏水性，對水面上的浮油有很好的去除效果，在吸油后不下沉，對水的飽和吸附倍率僅為0.3g／g。泡沫材料對柴油的吸附過程符合偽二級吸附動力學(xué)方程，飽和吸附倍率為9.5g／g，飽和吸附時間為22min。

（2）發(fā)泡聚丙烯泡沫對甲苯、柴油、機(jī)油和食用油的飽和吸附倍率都在9.5g／g左右，但對不同油品的吸附速率不同，其中對甲苯的吸附速率最好，對食用油的吸附速率相對較低。

（3）發(fā)泡聚丙烯泡沫的重復(fù)利用價值高，在重復(fù)利用8次時對柴油的飽和吸油倍率仍能達(dá)到9.5g／g，凈吸油倍率達(dá)6.5g／g。

（4）發(fā)泡聚丙烯泡沫對柴油的吸油倍率增長快慢受溫度的影響較大，在30℃時，吸油倍率增長最快，5min測得的吸油倍率達(dá)到8.5g／g，超過30℃后，吸油倍率增長緩慢。

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