絲瓜絡吸油測試及組成結構分析

董姍姍

摘 要：本研究著眼于目前我國資源短缺與環(huán)境污染的主要矛盾，將豐富的纖維素資源予以利用，以天然絲瓜絡為原料，運用掃描電鏡方法探究絲瓜絡的結構特點，并分析其吸油機理，預計將其應用于海上溢油的清理。同時，實驗中考察了表面蠟質對絲瓜絡吸附過程的影響。實驗結果表明，絲瓜絡屬于網(wǎng)絡狀孔隙結構，孔形狀為不規(guī)則多邊形，孔分布較均勻，全開孔，內(nèi)部網(wǎng)絡交聯(lián)，骨架結構明顯。全開孔結構不僅使原油及有機污染物自由通過，其骨架結構還能有效支撐吸入油的重量，保油能力強。用石油醚，乙醚萃取蠟質后的絲瓜絡吸附性不及乙醇萃取蠟質后的絲瓜絡，表征了絲瓜絡表面蠟質與油品之間的范德華力對其吸附性的重要性。

關鍵詞：絲瓜絡；表面蠟質；孔洞；吸附性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.258

1 緒論

天然絲瓜絡（Vegetable Sponge of Luffa）是干燥的成熟絲瓜果實中的維管束，宏觀上呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀纖維結構，主要由60%纖維素及部分半纖維素、木質素伴生在一起而形成[1-2]。根據(jù)黎炎等對絲瓜絡化學成分的分析，絲瓜絡中主要為酸、酯、烷類等化合物，其中酸類有11種，酯類7種，烷類9種，所占比例分別為52.27%、13.34%和5.23%[3]。目前，在天然植物纖維中，研究較多的有甘蔗渣[4-5]、楊絮[6]、棉纖維[7]、玉米秸稈[8]等，而對絲瓜絡的研究很少[9]。早先，對絲瓜絡纖維的應用研究主要集中在它的藥用價值和各類生活用品的制備上，最近幾年則主要應用研究于環(huán)境保護材料領域，例如毛金浩等研究了化學改性后的絲瓜絡對金屬離子的吸附[2]，楊紅等研究了絲瓜絡在手性分離方面的性能[10]，胡楠等探究了絲瓜絡對污染物的吸附性能，Ghania HENINI等研究了絲瓜絡對苯酚的吸附性能[11]，Aylin等研究了絲瓜絡對染料的吸附[12]。絲瓜絡具有獨特的多孔物理結構，如圖1。另外絲瓜絡還擁有優(yōu)良的機械強度，能與一些金屬蜂窩材料（如泡沫鋁和Ni-P microlattices等）相媲美的剛度、強度和能量吸收能量能力，在相似的密度條件下，絲瓜絡比其他可用的蜂窩材料（如聚苯乙烯泡沫塑料、Ni-P microlattices等）的強度更大[13]。

2 吸油測試實驗

2.1 實驗原料和器材

絲瓜絡，在市場購買產(chǎn)于江蘇泰州；燒杯；PL403電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；索氏提取器DHG-9023A型電熱恒溫鼓風干燥箱。吸油性能測試中所用油品如表1所示；索氏提取器用到的提取劑如表2所示。

2.2 實驗步驟

對天然未處理的絲瓜絡分別以無水乙醇、石油醚和乙醚為溶劑，用索氏提取器萃取其表面蠟質和灰分，萃取時間均為3h。然后分別對天然未處理的絲瓜絡和經(jīng)萃取的3種絲瓜絡進行下述實驗步驟：

（1）模擬海上溢油后的油水混合系統(tǒng)：在250ml的燒杯中分別加入10ml的機油和100ml的人造海水（將35g氯化鈉溶解于1000ml去蒸餾水中）；

（2）剪裁一定大小的絲瓜絡于60℃鼓風干燥箱中干燥2h，然后稱量M0；

（3）將油水混合體系靜置5分鐘達到平衡后放入干燥好的絲瓜絡；

（4）吸附30min后從燒杯中垂直取出，靜止滴淌5min后稱其重量Mf，隨后將其放入60℃的烘箱中烘4h，以去除吸附的水分，再稱其重量Mw；

（5）計算吸油（水）倍率：吸油（水）倍率=吸油（水）量/干燥絲瓜絡重量，如下2-1、2-2公式分別為吸油倍率和吸水倍率公式。

Q=（Mw-M0）/M0 （2-1）

q=（Mf-Mw）/M0 （2-2）

其中M0（g）為吸油和水前絲瓜絡纖維的重量；Mf（g）為吸收了油和水后絲瓜絡纖維的重量；Mw為將水排除后的絲瓜絡的重量；Q（g/g）為絲瓜絡吸油倍率；q（g/g）是絲瓜絡的吸水倍率。

2.3 微觀組織和形貌表征

采用OLYMPUS BX53生物顯微鏡觀察未處理的和經(jīng)石油醚（無水乙醚、無水乙醇）提取表面蠟質的絲瓜絡的表面形貌，探究表面蠟質對其吸油性能的影響。

將絲瓜絡樣品用雙面膠固定在銅板上，進行表面噴金處理后利用Hitachi（日立）S-3400N掃描電子顯微鏡觀察絲瓜絡表面形貌。

2.4 結果與分析

2.4.1 吸油性評價

根據(jù)吸油測試實驗，測得天然未處理的和經(jīng)過處理的絲瓜絡（分別以無水乙醇、石油醚和無水乙醚為溶劑，用索氏提取器萃取了其表面蠟質、灰分的絲瓜絡）在油水混合體系中的吸油（機油）倍率（Q）和吸水倍率（q）如表3所示。

2.4.2 絲瓜絡表面形貌分析

用掃描電鏡觀察天然未處理絲瓜絡表面形貌，結果如圖2所示，天然絲瓜絡表面覆蓋有一層灰分、蠟質，而且表面比較粗糙，存在凹坑部分。正是由于表面有親油蠟質層（表面蠟質含量是決定纖維表面親油疏水性的重要因素[14]）和凹坑，絲瓜絡才具有一定的吸油能力。

用生物顯微鏡觀察經(jīng)不同化學溶劑萃取處理后絲瓜絡表面形貌，結果如圖3所示。從a、b、c、d圖中可以看出，蠟質量：a>b>c≈d，天然未處理的絲瓜絡表面蠟質量最多，經(jīng)過無水乙醚萃取的絲瓜絡表面最少。其原因有兩個：（1）沸點：無水乙醇（78.5℃）>石油醚（40～80℃）>石油醚（34.6），所以在相同萃取時間下，無水乙醚的虹吸次數(shù)最多，無水乙醇最少，石油醚居中，虹吸次數(shù)多也就意味著萃取次數(shù)多；（2）極性：無水乙醇屬水溶性物質極性較大，石油醚和無水乙醚均屬脂溶性物質極性較小，根據(jù)相似相容原理絲瓜絡纖維表面蠟質易溶于石油醚和乙醚。

根據(jù)吸油實驗結果，未處理絲瓜絡吸油倍率較大，而經(jīng)石油醚或乙醚萃取過的絲瓜的吸油倍率較小，結合掃描電鏡和生物顯微鏡分析，表面絲瓜絡纖維素表面的蠟質是影響其吸油性的重要因素。另外，吸油實驗顯示絲瓜絡纖維有一定的吸水性，根據(jù)紅外光譜測試[15-16]，這與絲瓜絡中纖維素上的親水性羥基（-OH）有關。

參考文獻：

[1]胡楠.改性絲瓜絡纖維素對污染物的吸附性能研究[D].河南師范大學，2013.

[2]毛金浩，劉引烽，楊紅等.絲瓜絡的化學改性及其對金屬離子的吸附[J].水處理技術，2008，34（07）：46-50.

[3]黎炎，李文嘉，王益奎等.絲瓜絡化學成分分析[J].西南農(nóng)業(yè)學報，2011，24（02）：529-534.

[4]姜玉，龐浩，廖兵.甘蔗渣吸附劑的制備及其對Pb^ 2+， Cu^ 2+， Cr^ 3+ 的吸附動力學研究[J].中山大學學報：自然科學版，2009，47（06）：32-37.

[5]涂芳，孫可偉，李如燕.甘蔗渣/LDPE 發(fā)泡木塑復合材料的研究[J].塑料工業(yè)，2007，35（05）：16-19.

[6]Likon M，Rem?kar M，Ducman V， et al. Populus seed fibers as a natural source for production of oil super absorbents[J]. Journal of environmental management， 2013（114）：158-167.

[7]許云輝.選擇性氧化法制備環(huán)境友好型功能棉纖維研究[D].蘇州：蘇州大學，2006.

[8]羅冬，謝翼飛，譚周亮等.NaOH改性玉米秸稈對石油類污染物的吸附研究[J].環(huán)境科學與技術，2014，37（01）：28-32.

[9]楊紅，陸強，冉明浩等.絲瓜絡的有機吸附與結構間的關系[J].中國化學會第15屆反應性高分子學術討論會論文摘要預印集，2010.

[10]楊紅，劉引烽，毛金浩等.絲瓜絡的化學修飾及其對混旋體的拆分特性[J].離子交換與吸附，2009，25（02）：174-184.

[11]Henini G，Laidani Y，Souahi F，et al.Study of static adsorption system phenol/Luffa cylindrica fiber for industrial treatment of wastewater[J].Energy Procedia，2012， 18：395-403.

[12]Alt?n???k A，Gür E，Seki Y.A natural sorbent，Luffa cylindrica for the removal of a model basic dye[J].Journal of hazardous materials，2010，179（01）：658-664.

[13]Shen J，Min Xie Y，Huang X，et al.Mechanical properties of luffa sponge[J].Journal of the mechanical behavior of biomedical materials，2012，15：141-152.

[14]孫向玲.天然纖維素纖維對油液介質的吸附性能研究[D].東華大學，2011.

[15]Ola Abdelwahab. Assessment of raw luffa as a natural hollow oleophilic fibrous sorbent for oil spill cleanup[J].Alexandria Engineering Journal，2014，53（1）： 213-218

[16]Tanobe V O A，Sydenstricker T H D，Munaro M，et al.A comprehensive characterization of chemically treated Brazilian sponge-gourds （Luffa cylindrica）[J]. Polymer Testing，2005，24（04）：474-482.