植物基油水分离研究进展

李笑颖,赵博武,俞 强,韩利华

(华北理工大学,河北 唐山 063210)

0 引言

石油泄漏会对环境产生不利影响,是人们面临的严峻挑战之一[1],而开发一种高效、环保、低成本的油水分离方法是解决问题有效方式之一。虽然人工合成材料效果好,但成本高且制备过程不环保,急需开发一种制备简单、价格低廉、环境友好的油水分离材料。受荷叶表面超疏水性的启发[2],植物基油水分离材料备受关注。天然植物材料中含有丰富的纤维素及复杂孔道,对油水分离具有较大的影响。通过构造微/纳米结构及改性,可得到超亲油或超亲水材料,有效解决油水分离问题,且植物基材料具有可再生、生物降解等优点,利用亲油性可以高效吸附油污,实现油水分离及废弃物的无害化处理,具有环保效益。本研究将植物基材料分为过滤型与吸附型两类,综述了这两类材料改性的研究进展。

1 过滤型植物基油水分离材料

过滤性油水分离材料实际上是选择性的流体通道,仅允许油或水渗透。植物基过滤材料具有复杂的多孔孔道、润湿性及良好的机械强度,有望成为油水分离膜的理想材料。天然植物基过滤材料对油、水的选择性较弱,需要对面积孔隙及润湿特性改性,改性方式分为物理改性和化学改性两种。

1.1 过滤型物理改性

植物基过滤材料的物理改性方式包括改善润湿特性与孔径。研磨堆积可以将较硬的农业废弃物用于油水分离,利用其本身的润湿性、微纳结构表面及传质通道实现废物回收利用,为植物基过滤材料的发展提供新思路。Zhao等[3]将花生壳研磨堆积成疏油亲水的分离层,对油水混合物与油包水乳液分离效率较高,能够多次循环利用。

由于植物本身具有一定的亲水或亲油的特性,利用本身性质压缩成具有一定形状的分离材料,可简便有效地进行油水分离。Zhao等[4]以灯心草为原料压缩制备新型分离柱,灯心草颗粒具有疏水亲油特性,反冲洗能够延长使用寿命。

植物制备可切换润湿性能分离膜,为乳液按需分离提供新策略。Long等[5]将鸡腿菇粉碎活化后与海藻酸钠的悬浮液浸出到PVDF膜上,切换润湿性,具有优异的稳定性及适应性。Yue等[6]制备了可切换润湿性的三维空心多孔油菜花粉层,通过煅烧得到疏水性花粉层,通过蒸汽改性得到疏油性花粉层。

气凝胶可用作油/水分离的过滤器,从水中连续分离大量油及有机溶剂,为低成本材料制备疏水吸油材料提供了一种绿色策略。Dai等[7]通过纤维素提取、冷冻干燥及高温炭化制备了花生壳基生物质气凝胶,具有多孔网状结构。

植物基材还可以与其他分离材料结合,利用本身的油水选择性优化分离膜的性能。Li等[8]将玉米芯粉末与水性聚氨酯混合物喷涂在不锈钢网上,根据水与油的密度选择性地去除,具有较好的化学稳定性。

1.2 过滤型化学改性

对植物基过滤材料的化学改性主要有表面改性、静电纺丝技术等方法。表面改性在材料表面加入低表面能试剂,降低表面能,从而达到疏水特性。Bai等[9]将天然木材作为模板,通过用十二烷硫醇的乙醇溶液处理涂层木片,以降低表面能。Latthe等[10]将SiO2与聚苯乙烯纳米复合材料沉积到梧桐树叶上,获得了粗糙的微/纳结构。

2 吸附型植物基油水分离材料

吸附型油水分离材料常用于处理水中的油。植物基吸附材料绿色环保且廉价易得,进行疏水改性可提高其吸油与保油能力。植物基含有大量的纤维素、木质素及半纤维素,纤维素表面的羟基亲水,不利于油水分离,需进行疏水改性。疏水改性方法可分为物理、化学及生物改性。

表2 植物基吸附型油水分离材料

2.1 吸附型物理改性

对植物基吸附材料的物理改性主要包括机械作用与高温热处理。机械作用改变材料物理形态;高温热处理可以将植物纤维中的羟基与羟基脱水缩合,提高疏水性能。付专等[11]在超声条件下将灯心草纤维引入聚氨酯弹性体,使灯心草具备压缩回弹的能力。Zhu等[12]发现桂花鲜花表现出高黏附疏水性,桂花粉碎成粉末后仍具有较强的拒水性。物理方法还包括喷涂、磁化、碳化等。李峰等[13]在棉短绒材料表面上喷涂硅油,降低材料的吸水率。邹君臣等[14]用三氯化铁制备出磁性柚子皮,能够在外加磁场下移动,便于收集。Li等[16]通过高温碳化过程中的石墨化与芳构化反应得到甘蔗基碳气凝胶,具有理想的亲油疏水性。物理改性的吸附材料方法简单,不会产生有毒有害物质,但改性效果不彻底,对于高要求的应用场景,仅靠物理改性难以满足需求,需采用更复杂的化学改性手段。

2.2 吸附型化学改性

化学改性方法包括酯化反应、表面改性及化学接枝等。植物纤维素中的羟基可通过酯化进行疏水改性,但需预处理减少或去除亲水基团。碱处理可增加材料的表面粗糙度,作为酯化反应的预处理方式。在碱性条件下纤维素分子链与氢键断裂,使羟基游离,更易与酯化剂反应。王泽甲等[15]用双氧水对木屑进行碱改性,使材料孔壁变薄,结构塌陷,增大比表面积。目前酯化改性常用乙酸酐作酯化剂,邹君臣等[14]用乙酸酐对柚子皮进行酯化改性,材料具有良好的保油及循环能力。

植物纤维素制成的气凝胶具有比表面积大、孔隙率高、密度低、可生物降解等优点,是一种有前途的吸油材料。Chen等[17]将粉碎后的玉米秸秆与聚乙烯醇黏合利用冷冻干燥制备气凝胶,再经十六烷基三甲氧基硅烷化学气相沉积改性后表现出优异的超疏水性。

化学接枝是常用的化学改性手段,在植物基材料中接枝具有疏水功能的长链烷烃,能改善材料的润湿特性。邹君臣等[14]以柚子皮为原料,将苯乙烯接枝共聚,增加疏水亲油性,强化材料空间结构。

化学改性是常见的植物基材料改性方法,可以在材料表面或内部引入官能团,疏水亲油性能得到明显提高,反应迅速,成效好,不足之处是产物是否会造成二次污染及如何避免需要进一步研究。

2.3 吸附型生物改性

对植物基吸附材料的生物改性主要利用细菌、真菌、生物酶等对纤维素进行处理,该法改性后的材料不仅作用温和,对环境也更为友好。蓝舟琳等[18]利用绿色木霉对玉米秸秆进行固态发酵的生物改性方法,通过降低材料中纤维素及半纤维素的含量,使玉米秸秆表面变得粗糙,从而更好地吸附原油。生物改性方法通常不会引入有害物质,具有较好的环保性与生物相容性。缺点是时间较长,成本费用高,效果差,故在实际生活中不常利用。

3 展望

植物基材料是一种新型环保材料,在油水分离领域应用前景广阔,具有来源广泛、可再生、生物降解、制备简单、环保等优点,已成功应用于油水分离,但仍需研究植物基材料的稳定性,延长使用寿命,探究高效分离与回收油水,实现材料再生利用,降低成本及环境影响。要实现植物基材料的大规模制备及工业化应用需解决生产成本与技术难题,提高其安全性及生物降解性,避免对环境及人体健康造成不良影响。随着技术的不断发展与创新,植物基材料将在环境保护与可持续发展方面发挥更重要的作用。