纖維素纖維在溢油吸附材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀

高桂明 陳春暉 朱軍旗 高久麗 邢慧芝 蒲吳霞

摘? 要：綜述了溢油事故的現(xiàn)狀、危害及目前使用的處理技術(shù)，突出溢油吸附材料的可行性優(yōu)點(diǎn)，通過溢油吸附材料的吸附理論及影響因素分析，并主要從物理改性、化學(xué)改性、生物改性等方式指出纖維素纖維溢油吸附材料的制備方式及研究進(jìn)展，肯定了纖維素纖維溢油吸附材料的制備以及在溢油吸附及油水分離技術(shù)領(lǐng)域中的廣闊的應(yīng)用前景，為纖維素纖維溢油吸附材料的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：纖維素纖維? 溢油吸附? 油水分離? 可降解

中圖分類號(hào)：X703??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? ???????????? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）01（a）-0065-04

Application Status of Cellulose Fiber in Oil Spill Adsorption Materials

GAO Guiming? CHEN Chunhui*? ZHU Junqi? GAO Jiuli? XING Huizhi? PU Wuxia

（College of Mechanical Electrification Engineering Tarim University， Alaer， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 843300 China）

Abstract： This paper summarizes the present situation of oil spill accidents， harm and current use of processing technology. It highlights the advantages of feasibility of spilled oil adsorption material. The paper points out the preparation methods and research progress of the cellulose fiber adsorption materials mainly from the physical modification， chemical modification and biological modification methods through the spilled oil adsorption theory and influencing factors analysis of adsorption material， affirming of the preparation of cellulose fiber adsorption material of oil spill and broad application prospects in the field of oil water separation technology. It provides reference for cellulose fiber adsorption materials research and development.

Key Words： Cellulose fiber; Oil spill adsorption; Oil-water separation; Degradation

隨著工業(yè)化以及大量人口脫貧引發(fā)的能源需求，石油能源貫穿于人類生存及安防的方方面面，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，大大增加了石油的開發(fā)和運(yùn)輸，故而引發(fā)大量溢油事故[1，2]?！巴?hào)”的觸礁擱淺[3]、墨西哥灣鉆井平臺(tái)溢油事件[4]、“桑吉號(hào)”在我國東海海域的碰撞事件等，都對(duì)海洋生態(tài)及沿岸經(jīng)濟(jì)等造成了巨大破壞與損失。由于石油中所含成分復(fù)雜，烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴及瀝青質(zhì)等化合物成分占50%～98%，非烴類化合物，且大多含氧、氮、硫以及金屬元素等[5]。因此，油類泄露后，會(huì)發(fā)生擴(kuò)散、乳化和風(fēng)化等，造成化學(xué)污染，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境及人體健康，從而造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[6]。首先，溢油的迅速揮發(fā)，極易引起火災(zāi)。其次，油氣通過呼吸道、皮膚侵入等方式進(jìn)入人體，油類中的芳香族化合物極具毒性，危害健康[7]。另外，海水由于油膜的作用隔絕了與外界的循環(huán)，對(duì)海洋生物、魚類、鳥類等海洋生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆的破壞，對(duì)海岸沿線的工廠、旅游業(yè)、碼頭等也將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[8]。由此可見，溢油事故的減少及有效治理關(guān)乎生態(tài)環(huán)境、人類健康及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1? 溢油事故處理技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)外溢油應(yīng)急處理技術(shù)針對(duì)不同溢油事故及海域環(huán)境主要分為機(jī)械/物理法、化學(xué)法、生物修復(fù)法[9]。首先，為防止初期油膜擴(kuò)散，采用圍油欄以防止其大面積擴(kuò)散，采用吸油卡車、撇油器等機(jī)械裝置進(jìn)行溢油回收。其次，采用吸油材料、燃燒法、消油劑等對(duì)回收后的油水混合物進(jìn)行處理，處理成本巨大。另外，對(duì)于無法回收的溢油，利用微生物降解[10]。

溢油吸附材料憑借其簡便、高效等優(yōu)勢脫穎而出，已發(fā)展成為溢油應(yīng)急處理技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象[11，12]。常用溢油吸附材料既有吸油能力達(dá)到約自重5倍的無機(jī)材料（蛭石、黏土等），又有吸油能力達(dá)自重20～70倍的人造化學(xué)材料[13]。二者雖具有吸油能力，但對(duì)于吸油后材料及溢油的處理相當(dāng)困難，造成二次污染。而對(duì)于天然纖維素材料，如花生殼、麥稈、玉米谷穗、木纖維、木棉、棉纖維等，其吸油能力達(dá)自重的5～10倍左右[14]，除具有吸油能力外，因其自身是天然纖維素材料，綠色環(huán)保，來源廣泛成本低，且吸油后的材料可作為燃燒發(fā)電原料，高熱高焓無灰燼，綠色可持續(xù)。

2? 吸附原理及理論

吸附是指當(dāng)液態(tài)或氣態(tài)與固體兩者表面接觸時(shí)，由于分子作用和表面能的改變，一些流體物質(zhì)在固體物質(zhì)表面濃集的現(xiàn)象，有物理吸附（范德華力）和化學(xué)吸附（化學(xué)鍵力）[15]。物理吸附具有可逆、可快速達(dá)到平衡狀態(tài)等特點(diǎn)，有單分子層和多分子層吸附。吸附過程首先是吸附對(duì)象與吸附材料的表面接觸，其次是吸附對(duì)象向吸附材料內(nèi)部涌入，最后是二者表面結(jié)構(gòu)的反應(yīng)與動(dòng)態(tài)平衡的保持。吸附材料的吸附率和動(dòng)態(tài)平衡影響因子較多，主要有油類的粘度和表面能，吸附材料的表面能、孔隙率、比表面積以及外界環(huán)境等。

由吸附理論及原理可知影響天然有機(jī)材料吸附性能的主要是其可表面能、孔隙率及其比表面積[16]。首先，為實(shí)現(xiàn)溢油吸附，溢油吸附材料應(yīng)該是油類可浸潤，即溢油吸附材料的表面能應(yīng)該低于水的表面能同時(shí)高于油類的表面能。其次，孔隙率不僅影響溢油吸附材料對(duì)油類的吸附效率，而且影響吸油量。另外，溢油吸附材料的比表面積直接決定了溢油吸附材料和油類的接觸面積，對(duì)吸油速率和保油率具有較大影響。因此，好的溢油吸附材料應(yīng)根據(jù)具有合適的表面能的同時(shí)具有合理的孔隙率及比較面積結(jié)構(gòu)。

3? 纖維素纖維溢油吸附材料制備

纖維素溢油吸附材料如木棉纖維、甘蔗渣、稻殼、大麥桿、棉花等為纖維素纖維，具有多孔疏松結(jié)構(gòu)、較大的孔隙率大及比表面積，溢油吸附率、保油率較高[17]。來源廣泛成本低、可再生可降解、不造成二次污染，且吸油后材料可二次利用等優(yōu)點(diǎn)已成為重點(diǎn)研究方向。黃彪等人[18]對(duì)舊紙板和間伐木經(jīng)熱處理技術(shù)制備的溢油吸附材料，其吸附能力分別可達(dá)到24.70 g·g-1和27.80 g·g-1。Sun等人[19]通過乙酰化制備的改性水稻秸稈溢油吸附材料，對(duì)重油的吸油量可達(dá)25g·g-1。王泉泉等人[20]制備的改性蒲絨纖維，其柴油吸附能力為24g·g-1。不難看出，常采用一定的科學(xué)方法對(duì)天然纖維素纖維進(jìn)行改性處理，以此增大其溢油吸附能力而制備天然纖維素纖維溢油吸附材料。

為改善天然纖維素纖維吸附性能，以滿足溢油吸附材料性質(zhì)需求，常采用物理、化學(xué)、生物等方式，對(duì)其表面能、孔隙率及比表面積等進(jìn)行改良從而得到高性能纖維素溢油吸附材料。物理改性：通過機(jī)械或熱處理的方式實(shí)現(xiàn)。江茂生等人[21]制備的紅麻稈高性能溢油吸附材料，則是通過紅麻桿在250℃～500℃的條件下熱處理形成。唐興平等人[22]通過蒸煮、熱解等物理方式，制備了改性毛竹溢油吸附材料，吸油倍率提高了15倍。劉釗等人[23]對(duì)柚子皮進(jìn)行400 ℃、熱解3 h的高溫?zé)峤馕锢砀男?，使其孔隙率增大，吸油速率及倍率明顯增大，180 s內(nèi)達(dá)到吸油平衡，吸油倍率提高到16.9。歷軍等人[24]通過機(jī)械混合方式制備蒲絨-蘆葦復(fù)合材料，大大提高單一纖維素品種材料的溢油吸附能力，擴(kuò)大了其兩種纖維材料的應(yīng)用價(jià)值。化學(xué)改性：通過化學(xué)或化學(xué)和物理方式相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面增加其親油基團(tuán)減少其親水基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)油水分離和溢油吸附能力的增強(qiáng)，有酯化反應(yīng)、表面改性、接枝等方式。Jintao Wang等人[25]利用聚甲基丙烯酸正丁酯和二氧化硅納米粒子制備的改性木棉，對(duì)原油的吸油倍率提高了1.41倍。黃胡闊等人[26]以丙酸酐制備的改性落葉松樹皮，不僅提高了其油水分離及溢油吸附能力，而且提高其重復(fù)利用次數(shù)。羅冬等人[27]利用NaOH溶液制備的改性玉米秸稈，與改性前相比對(duì)原油的吸附量提高了1.23倍。Liufeng等人[28]通過溶膠凝膠法制備的改性棉花，其最大吸油量提高到自身重量的20～50倍。郭賀等人[29]利用乙酸制備的改性苧麻，對(duì)原油的吸附量提高到自身重量的20倍;王曉婷[30]利用溶膠凝膠法制備的改性苧麻，油水分離能力增強(qiáng)，溢油吸附能力得到提高，吸水倍率降低了94.5%。生物改性：利用生物酶、微生物、生物發(fā)酵等技術(shù)對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行疏水親油改性研究。藍(lán)舟琳[31]以生物菌綠色木霉和黑曲霉制備的改性玉米秸稈，玉米秸稈纖維素纖維的多孔疏松結(jié)構(gòu)、孔隙率得到改善，吸油倍率比改性之前提高了1.37倍。

4? 結(jié)語

雖然，溢油吸附材料的制備和表面技術(shù)的研究已被廣泛開展，但是在短期內(nèi)仍很難快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和規(guī)?；瘧?yīng)用。而隨著人們“綠水青山就是金山銀山”環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，天然纖維素纖維憑借其自身來源廣泛、成本低、可生物降解、自身微觀多孔疏松結(jié)構(gòu)、毛細(xì)管作用強(qiáng)、孔隙率大、比表面積較大等優(yōu)點(diǎn)，將通過物理、化學(xué)、生物等方式制備溢油吸附材料，且吸油后可進(jìn)行溢油回收，吸油后材料可作為燃燒發(fā)電材料，高熱高焓無灰燼，可生物降解，不造成二次污染。對(duì)將來溢油吸附及油水分離技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

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