发泡聚丙烯对含油废水的吸附性能研究

谢红丽+卫新来+沈兵兵+王小丹+俞志敏

摘 要：发泡聚丙烯材料是一种性能卓越的复合材料，具有原料来源丰富、质量轻、耐化学腐蚀、可回收利用、亲油疏水等优良特性。该文以发泡聚丙烯泡沫为吸油材料，研究了时间、温度、振荡频率等因素对其吸附柴油性能的影响。结果显示：（1）发泡聚丙烯具有优异的饱和吸油能力，其饱和吸附倍率为9.5g/g，饱和吸附时间为25min；（2）吸油速率随着温度升高而加快，在30℃下发泡聚丙烯泡沫的吸附速率达到最高；（3）振荡频率的增加，可以促进发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附作用；（4）改性后的发泡聚丙烯泡沫与普通发泡聚丙烯泡沫相比，更具有良好的处理效果，其中以添加陶粉改性的发泡聚丙烯泡沫材料的处理效果最佳，对柴油的饱和吸附倍率为10.5g/g。

关键词：发泡聚丙烯；吸附性能；吸附倍率；污水

中图分类号 X703.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）22-90-03

石油有“黑色黄金”、“经济血液”之称，广泛应用于国民经济的各个领域[1]。伴随着我国经济的快速发展和对能源需求的增加，其应用范围还在继续拓展，消耗量也日趋增大[2]。在原油的开采、加工、运输、炼制和使用过程中，由于受到工艺水平和处理技术的限制，大量含油类物质的废水、废渣不可避免地被排入到水体中，对海洋生态环境和淡水生态环境造成了极大的破坏[3-4]。水中的溢油、油渍不仅降低海洋和淡水环境的质量，影响食物链的循环，破坏生态平衡，还威胁着人类的健康。而要解决这些问题，就迫切需要开发出高效、耐用、清洁的吸油材料[5-7]。吸油材料主要可分为三大类，即无机吸油材料、有机合成吸油材料和有机天然吸油材料[8]。发泡聚丙烯泡沫是一种性能卓越的高结晶复合材料，具有亲油性、疏水性以及良好的吸附性能，易制备、可重复使用。发泡聚丙烯泡沫不仅可回收再利用，而且可以自然降解，不会造成白色污染，因而被称为“绿色”泡沫[9]。聚丙烯泡沫由于其良好的力学性能、优良的耐热性能及利于环境保护的性质，是继传统的聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫及聚乙烯泡沫之后的新一代泡沫材料，有着广泛的应用前景。

1 材料和方法

1.1 实验材料与设备 发泡聚丙烯泡沫由合肥汇通中科材料有限公司提供，其基本物理性质如下：发泡倍率30，比表面积4.13m2/g，堆密度42kg/m3，开孔率>80%，孔径50～150μm。0#柴油购于中石化加油站，电子分析天平（SN028）由陕西环宇仪器设备有限公司生产，数显恒温水浴锅（HH-4）和恒温振荡器（DS-52）由上海南荣实验设备有限公司生产。

1.2 实验方法 本实验主要研究发泡聚丙烯对含油废水的处理效果，设定不同的时间、温度、震荡频率，测其吸油倍率，并对发泡聚丙烯泡沫材料进行改性处理，测定改性后的吸附能力。为了使实验结果满足重现性，实验条件控制在20℃。吸油倍率的计算是利用在一定时间内单位材料所吸附的油量来表征，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 结果与讨论

2.1 不同时间对发泡聚丙烯泡沫吸附性能的影响 从图1可以看出，泡沫聚丙烯泡沫材料对柴油的吸附能力强，随着时间的增加，其吸油量也随之增加。在0～10min的吸油过程中，吸油动力较大，储油空间也较大，所以吸油速度快，吸油量增幅较大，其中在2min时吸油倍率达到7.4g/g，在10min达到8.8g/g。超过10min，随着吸附时间的延长，材料吸油量趋势发生转变，出现缓慢上升的情况。25min之后，其吸油量基本保持不变，并且在此区间吸油倍率达到最大值，呈饱和吸附状态。

2.2 不同的温度对发泡聚丙烯泡沫吸附性能的影响 同种材料对不同吸附质，甚至对同种吸附对象在不同温度的情况下，其吸附性能是不一样的。实验选取5min吸油时间来研究温度变化对发泡聚丙烯泡沫吸油性能的影响。由图2可以看出，随着温度的增加，发泡聚丙烯泡沫对柴油的5min吸附倍率呈现增长的趋势。原因是温度的升高，导致油品的粘度发生变化，从而改变油向各种材料内部间隙扩散的扩散系数，进而影响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。由图2还可以看出，在0～10℃，吸附曲线上升比较缓慢；在10～25℃，材料对柴油的吸附倍率增长较快，25℃时吸附倍率达8.5g/g；在25～40℃，材料对柴油的吸附倍率虽有一定的增长，但增长十分缓慢，这可能是由于25℃以后温度升高对油品的粘度影响越来越小。总体来说，温度对发泡聚丙烯泡沫的影响比较明显，温度的升高更有利于提高材料的吸附量。

图2 温度对发泡聚丙烯泡沫吸附柴油的影响

2.3 不同震荡频率对发泡聚丙烯泡沫吸附性能的影响 实验采用恒温振荡器来研究发泡聚丙烯泡沫材料对柴油吸附性能的影响，设定振荡频率为0次/min、10次/min、20次/min、30次/min、40次/min、50次/min、60次/min，控制温度为20℃，吸附时间分别为5min和1h，测定发泡聚丙烯泡沫材料对柴油的吸油量，如图3所示。由图3可以看出，当吸油时间为5min时，随着振荡频率的增加，发泡聚丙烯泡沫材料对柴油的吸油量是逐渐增加的，吸油量由振荡频率为0次/min时的8.2g/g左右增加到当振荡频率为60次/min的8.9g/g左右，说明增加振荡频率有利于提高发泡聚丙烯泡沫材料对柴油的吸附速率，即可以提高发泡聚丙烯泡沫材料的吸附性能；当吸油时间设定为1h时，随着振荡频率的增加，发泡聚丙烯泡沫材料对柴油的吸油量基本保持在9.3g/g左右不变，说明此时吸油量已经达到饱和状态，振荡频率的增加对发泡聚丙烯泡沫材料的吸油性能的影响很小甚至没有影响。

图3 震荡频率对发泡聚丙烯泡沫吸附效果的影响

2.4 改性发泡聚丙烯泡沫对柴油吸附结果 发泡聚丙烯泡沫的吸附性能除了与吸附时的环境条件有关，还与本身的性质有很大关系。为进一步增加其吸油能力，分别添加20%的陶粉和活性炭对泡沫材料进行改（下转123页）（上接91页）性。改性后的发泡聚丙烯泡沫在温度为20℃，静态条件下对柴油的饱和吸附效果如图4所示。从图4可以看出，不同类型材料的饱和吸附量是有差别的，其中普通发泡聚丙烯材料对柴油的饱和吸附量为9.2g/g，添加陶粉改性的发泡聚丙烯泡沫材料为10.5g/g，添加活性炭改性的发泡聚丙烯泡沫材料为9.7g/g。说明改性后的发泡聚丙烯泡沫与普通发泡聚丙烯泡沫相比，更具有良好的处理效果，其中以添加陶粉改性的发泡聚丙烯的吸附倍率最高。改性后的发泡聚丙烯之所以会达到这样的效果，其原因可能在于：一是陶粉和活性炭成分本身就具有较好的吸附性能，二是改性后的发泡聚丙烯的结构发生了一些变化，从而增强了吸附性能。

图4 改性发泡聚丙烯泡沫的饱和吸附倍率

3 结论

通过在不同影响因素下对发泡聚丙烯材料吸附含油废水性能的测试，结果表明：

（1）发泡聚丙烯泡沫浸入柴油后的吸油倍率能在25min达到9.5g/g，超过25min后发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附倍率曲线趋于水平，增长缓慢，说明已经基本达到吸附饱和。温度的升高有利于提高材料的吸附量，在30℃时发泡聚丙烯泡沫的吸附速率最高。

（2）随着振荡频率的增加，发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附速率逐渐上升，但震荡频率的高低对泡沫材料的饱和吸附倍率没有影响。

（3）改性后的发泡聚丙烯材料与普通发泡聚丙烯材料相比，更具有良好的处理效果，其中以陶粉改性发泡聚丙烯泡沫材料的处理效果最佳，对柴油的饱和吸附倍率为10.5g/g。

参考文献

[1]王文华，邱金泉，寇希元，等.吸油材料在海洋溢油处理中的应用研究进展[J].化工新型材料，2013，41（7）：151-154.

[2]夏文香，林海涛，张英，等.海上溢油的污染控制技术[J].青岛建筑工程学院学报，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.

[4]刘生鹏，高秋，胡仙林，等.吸油材料的研究进展[J].武汉工程大学学报，2013，35（12）：27-38.

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[6]陆晶晶，周美华.吸油材料的发展[J].东华大学学报（自然科学版），2002（01）：126-130.

[7]谷庆宝，吴兵，李发生，等.可生物降解吸油材料发展现状与研究进展[J].石油化工环境保护，2002（02）：23-25.

[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.

（责编：张宏民）

图3 震荡频率对发泡聚丙烯泡沫吸附效果的影响

2.4 改性发泡聚丙烯泡沫对柴油吸附结果 发泡聚丙烯泡沫的吸附性能除了与吸附时的环境条件有关，还与本身的性质有很大关系。为进一步增加其吸油能力，分别添加20%的陶粉和活性炭对泡沫材料进行改（下转123页）（上接91页）性。改性后的发泡聚丙烯泡沫在温度为20℃，静态条件下对柴油的饱和吸附效果如图4所示。从图4可以看出，不同类型材料的饱和吸附量是有差别的，其中普通发泡聚丙烯材料对柴油的饱和吸附量为9.2g/g，添加陶粉改性的发泡聚丙烯泡沫材料为10.5g/g，添加活性炭改性的发泡聚丙烯泡沫材料为9.7g/g。说明改性后的发泡聚丙烯泡沫与普通发泡聚丙烯泡沫相比，更具有良好的处理效果，其中以添加陶粉改性的发泡聚丙烯的吸附倍率最高。改性后的发泡聚丙烯之所以会达到这样的效果，其原因可能在于：一是陶粉和活性炭成分本身就具有较好的吸附性能，二是改性后的发泡聚丙烯的结构发生了一些变化，从而增强了吸附性能。

图4 改性发泡聚丙烯泡沫的饱和吸附倍率

3 结论

通过在不同影响因素下对发泡聚丙烯材料吸附含油废水性能的测试，结果表明：

（1）发泡聚丙烯泡沫浸入柴油后的吸油倍率能在25min达到9.5g/g，超过25min后发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附倍率曲线趋于水平，增长缓慢，说明已经基本达到吸附饱和。温度的升高有利于提高材料的吸附量，在30℃时发泡聚丙烯泡沫的吸附速率最高。

（2）随着振荡频率的增加，发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附速率逐渐上升，但震荡频率的高低对泡沫材料的饱和吸附倍率没有影响。

（3）改性后的发泡聚丙烯材料与普通发泡聚丙烯材料相比，更具有良好的处理效果，其中以陶粉改性发泡聚丙烯泡沫材料的处理效果最佳，对柴油的饱和吸附倍率为10.5g/g。

参考文献

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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.

（责编：张宏民）

图3 震荡频率对发泡聚丙烯泡沫吸附效果的影响

2.4 改性发泡聚丙烯泡沫对柴油吸附结果 发泡聚丙烯泡沫的吸附性能除了与吸附时的环境条件有关，还与本身的性质有很大关系。为进一步增加其吸油能力，分别添加20%的陶粉和活性炭对泡沫材料进行改（下转123页）（上接91页）性。改性后的发泡聚丙烯泡沫在温度为20℃，静态条件下对柴油的饱和吸附效果如图4所示。从图4可以看出，不同类型材料的饱和吸附量是有差别的，其中普通发泡聚丙烯材料对柴油的饱和吸附量为9.2g/g，添加陶粉改性的发泡聚丙烯泡沫材料为10.5g/g，添加活性炭改性的发泡聚丙烯泡沫材料为9.7g/g。说明改性后的发泡聚丙烯泡沫与普通发泡聚丙烯泡沫相比，更具有良好的处理效果，其中以添加陶粉改性的发泡聚丙烯的吸附倍率最高。改性后的发泡聚丙烯之所以会达到这样的效果，其原因可能在于：一是陶粉和活性炭成分本身就具有较好的吸附性能，二是改性后的发泡聚丙烯的结构发生了一些变化，从而增强了吸附性能。

图4 改性发泡聚丙烯泡沫的饱和吸附倍率

3 结论

通过在不同影响因素下对发泡聚丙烯材料吸附含油废水性能的测试，结果表明：

（1）发泡聚丙烯泡沫浸入柴油后的吸油倍率能在25min达到9.5g/g，超过25min后发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附倍率曲线趋于水平，增长缓慢，说明已经基本达到吸附饱和。温度的升高有利于提高材料的吸附量，在30℃时发泡聚丙烯泡沫的吸附速率最高。

（2）随着振荡频率的增加，发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附速率逐渐上升，但震荡频率的高低对泡沫材料的饱和吸附倍率没有影响。

（3）改性后的发泡聚丙烯材料与普通发泡聚丙烯材料相比，更具有良好的处理效果，其中以陶粉改性发泡聚丙烯泡沫材料的处理效果最佳，对柴油的饱和吸附倍率为10.5g/g。

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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.

（责编：张宏民）