[工程与工业技术]纤维素纤维在溢油吸附材料中的应用现状

高桂明 陈春晖 朱军旗 高久丽 邢慧芝 蒲吴霞

摘  要：综述了溢油事故的现状、危害及目前使用的处理技术，突出溢油吸附材料的可行性优点，通过溢油吸附材料的吸附理论及影响因素分析，并主要从物理改性、化学改性、生物改性等方式指出纤维素纤维溢油吸附材料的制备方式及研究进展，肯定了纤维素纤维溢油吸附材料的制备以及在溢油吸附及油水分离技术领域中的广阔的应用前景，为纤维素纤维溢油吸附材料的研发提供参考。

关键词：纤维素纤维  溢油吸附  油水分离  可降解

中图分类号：X703            文献标识码：A                 文章编号：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

隨着工业化以及大量人口脱贫引发的能源需求，石油能源贯穿于人类生存及安防的方方面面，在经济发展中占据重要地位，大大增加了石油的开发和运输，故而引发大量溢油事故[1，2]。“威望号”的触礁搁浅[3]、墨西哥湾钻井平台溢油事件[4]、“桑吉号”在我国东海海域的碰撞事件等，都对海洋生态及沿岸经济等造成了巨大破坏与损失。由于石油中所含成分复杂，烷烃、环烷烃、芳香烃及沥青质等化合物成分占50%～98%，非烃类化合物，且大多含氧、氮、硫以及金属元素等[5]。因此，油类泄露后，会发生扩散、乳化和风化等，造成化学污染，严重威胁生态环境及人体健康，从而造成不可估量的经济损失[6]。首先，溢油的迅速挥发，极易引起火灾。其次，油气通过呼吸道、皮肤侵入等方式进入人体，油类中的芳香族化合物极具毒性，危害健康[7]。另外，海水由于油膜的作用隔绝了与外界的循环，对海洋生物、鱼类、鸟类等海洋生态系统造成不可逆的破坏，对海岸沿线的工厂、旅游业、码头等也将造成巨大的经济损失[8]。由此可见，溢油事故的减少及有效治理关乎生态环境、人类健康及经济发展。

1  溢油事故处理技术现状

国内外溢油应急处理技术针对不同溢油事故及海域环境主要分为机械/物理法、化学法、生物修复法[9]。首先，为防止初期油膜扩散，采用围油栏以防止其大面积扩散，采用吸油卡车、撇油器等机械装置进行溢油回收。其次，采用吸油材料、燃烧法、消油剂等对回收后的油水混合物进行处理，处理成本巨大。另外，对于无法回收的溢油，利用微生物降解[10]。

溢油吸附材料凭借其简便、高效等优势脱颖而出，已发展成为溢油应急处理技术领域的重点研究对象[11，12]。常用溢油吸附材料既有吸油能力达到约自重5倍的无机材料（蛭石、黏土等），又有吸油能力达自重20～70倍的人造化学材料[13]。二者虽具有吸油能力，但对于吸油后材料及溢油的处理相当困难，造成二次污染。而对于天然纤维素材料，如花生壳、麦秆、玉米谷穗、木纤维、木棉、棉纤维等，其吸油能力达自重的5～10倍左右[14]，除具有吸油能力外，因其自身是天然纤维素材料，绿色环保，来源广泛成本低，且吸油后的材料可作为燃烧发电原料，高热高焓无灰烬，绿色可持续。

2  吸附原理及理论

吸附是指当液态或气态与固体两者表面接触时，由于分子作用和表面能的改变，一些流体物质在固体物质表面浓集的现象，有物理吸附（范德华力）和化学吸附（化学键力）[15]。物理吸附具有可逆、可快速达到平衡状态等特点，有单分子层和多分子层吸附。吸附过程首先是吸附对象与吸附材料的表面接触，其次是吸附对象向吸附材料内部涌入，最后是二者表面结构的反应与动态平衡的保持。吸附材料的吸附率和动态平衡影响因子较多，主要有油类的粘度和表面能，吸附材料的表面能、孔隙率、比表面积以及外界环境等。

由吸附理论及原理可知影响天然有机材料吸附性能的主要是其可表面能、孔隙率及其比表面积[16]。首先，为实现溢油吸附，溢油吸附材料应该是油类可浸润，即溢油吸附材料的表面能应该低于水的表面能同时高于油类的表面能。其次，孔隙率不仅影响溢油吸附材料对油类的吸附效率，而且影响吸油量。另外，溢油吸附材料的比表面積直接决定了溢油吸附材料和油类的接触面积，对吸油速率和保油率具有较大影响。因此，好的溢油吸附材料应根据具有合适的表面能的同时具有合理的孔隙率及比较面积结构。

3  纤维素纤维溢油吸附材料制备

纤维素溢油吸附材料如木棉纤维、甘蔗渣、稻壳、大麦杆、棉花等为纤维素纤维，具有多孔疏松结构、较大的孔隙率大及比表面积，溢油吸附率、保油率较高[17]。来源广泛成本低、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优点已成为重点研究方向。黄彪等人[18]对旧纸板和间伐木经热处理技术制备的溢油吸附材料，其吸附能力分别可达到24.70 g·g-1和27.80 g·g-1。Sun等人[19]通过乙酰化制备的改性水稻秸秆溢油吸附材料，对重油的吸油量可达25g·g-1。王泉泉等人[20]制备的改性蒲绒纤维，其柴油吸附能力为24g·g-1。不难看出，常采用一定的科学方法对天然纤维素纤维进行改性处理，以此增大其溢油吸附能力而制备天然纤维素纤维溢油吸附材料。

为改善天然纤维素纤维吸附性能，以满足溢油吸附材料性质需求，常采用物理、化学、生物等方式，对其表面能、孔隙率及比表面积等进行改良从而得到高性能纤维素溢油吸附材料。物理改性：通过机械或热处理的方式实现。江茂生等人[21]制备的红麻秆高性能溢油吸附材料，则是通过红麻杆在250℃～500℃的条件下热处理形成。唐兴平等人[22]通过蒸煮、热解等物理方式，制备了改性毛竹溢油吸附材料，吸油倍率提高了15倍。刘钊等人[23]对柚子皮进行400 ℃、热解3 h的高温热解物理改性，使其孔隙率增大，吸油速率及倍率明显增大，180 s内达到吸油平衡，吸油倍率提高到16.9。历军等人[24]通过机械混合方式制备蒲绒-芦苇复合材料，大大提高单一纤维素品种材料的溢油吸附能力，扩大了其两种纤维材料的应用价值。化学改性：通过化学或化学和物理方式相结合的方法实现对材料表面增加其亲油基团减少其亲水基团，实现油水分离和溢油吸附能力的增强，有酯化反应、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纳米粒子制备的改性木棉，对原油的吸油倍率提高了1.41倍。黄胡阔等人[26]以丙酸酐制备的改性落叶松树皮，不仅提高了其油水分离及溢油吸附能力，而且提高其重复利用次数。罗冬等人[27]利用NaOH溶液制备的改性玉米秸秆，与改性前相比对原油的吸附量提高了1.23倍。Liufeng等人[28]通过溶胶凝胶法制备的改性棉花，其最大吸油量提高到自身重量的20～50倍。郭贺等人[29]利用乙酸制备的改性苎麻，对原油的吸附量提高到自身重量的20倍;王晓婷[30]利用溶胶凝胶法制备的改性苎麻，油水分离能力增强，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、生物发酵等技术对生物质进行疏水亲油改性研究。蓝舟琳[31]以生物菌绿色木霉和黑曲霉制备的改性玉米秸秆，玉米秸秆纤维素纤维的多孔疏松结构、孔隙率得到改善，吸油倍率比改性之前提高了1.37倍。

4  结语

虽然，溢油吸附材料的制备和表面技术的研究已被广泛开展，但是在短期内仍很难快速实现工业化生产和规模化应用。而随着人们“绿水青山就是金山银山”环保意识的不断增强，天然纤维素纤维凭借其自身来源广泛、成本低、可生物降解、自身微观多孔疏松结构、毛细管作用强、孔隙率大、比表面积较大等优点，将通过物理、化学、生物等方式制备溢油吸附材料，且吸油后可进行溢油回收，吸油后材料可作为燃烧发电材料，高热高焓无灰烬，可生物降解，不造成二次污染。对将来溢油吸附及油水分离技术领域的开发有一定的指导价值。

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2021/08/07