发泡聚丙烯泡沫的吸油特性研究

沈兵兵， 俞志敏， 吴文涛， 卫新来， 吴 克， 王小丹

（1.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥学院 生物与环境工程系，安徽 合肥 230601；3.安徽省环境污染防治与生态修复协同创新中心，安徽 合肥 230601）

随着现代石油工业和海上油运的飞速发展，各类油品的使用和运输已成为工业生产中不可分割的一部分［1］。油类排入水体会严重影响水质环境，有效的油品吸附技术以及对含油污水净化材料的研究与开发备受关注［2］。

吸油材料按其不同的获得途径可以分为天然无机吸油材料、天然有机吸油材料和化学合成类吸油材料［3］。天然的无机和有机吸油材料都存在着饱和吸油量小，油水选择性差，吸油后悬浮性能差等缺点，因此在环境污染处理中的实用性较低［4］。化学合成类材料吸油性能较优异，目前，化学合成类吸油材料的研究也最为引人关注，是当下吸油材料的发展方向［5］。

发泡聚丙烯是一种性能卓越的复合材料［6］，它具有原料来源丰富、质量轻、耐高温等特性［7－8］。发泡聚丙烯泡沫属于多孔材料，具有较大的比表面积［9］。本文测试了发泡聚丙烯泡沫的油水选择性、吸附动力学、对不同油品的吸附性能，并对发泡聚丙烯泡沫的重复利用性、耐温性以及对水面浮油的去除效果进行了研究。

1 材料与方法

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，该材料的基本性能参数如下：堆密度为31kg／m3，尺寸为R7mm×8mm，发泡倍率为30，比表面积为4.117m2／g。0＃柴油购于中石化加油站，食用油为金龙鱼黄金比例食用调和油，99%甲苯为上海振企化学试剂品有限公司产品，机油为康普顿加能600。

实验设备：AEY－120型电子分析天平（湘仪天平仪器设备有限公司）、CU600高精度恒温数显水浴锅（上海南荣实验设备有限公司）、DD－5M落地式离心机（长沙平凡仪器仪表有限公司）。

1.2 吸油材料的性能测定

（1）吸附性能测试。准确称取一定量发泡聚丙烯泡沫，在一定温度下将样品投入装有油品的容器中，达到相应时间后将样品取出，悬空静置5min，并迅速称取质量［10］。吸附倍率公式为：

其中，m1和m2分别为吸油前、后发泡聚丙烯泡沫的质量；q为吸附倍率。

（2）重复利用性能实验。将放置一定时间的发泡聚丙烯泡沫从被吸油品中取出，悬空静置5min称取质量并计算出其吸油倍率，然后将其置于离心机中离心脱油，并再次称取质量，离心脱油后的发泡聚丙烯泡沫重新投入被吸油品中进行再次吸附。实验流程如图1所示。

图1 发泡聚丙烯泡沫重复利用性能测试流程图

2 结果与讨论

2.1 发泡聚丙烯泡沫的油水选择性

油水选择性是评价吸油材料性能的重要参数［11］。在相同的实验条件下，分别测试发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸油倍率和对水的吸水倍率。发泡聚丙烯泡沫的油水选择性如图2所示。

图2 发泡聚丙烯泡沫的油水选择性

由图2可知，在0～10min，发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附倍率增长较快，在10min时对柴油的吸附倍率可以达到8.8g／g；在10～30min，材料对柴油的吸附倍率增长缓慢；当时间超过30min材料对柴油的吸附倍率几乎没有增加。在0～10min发泡聚丙烯泡沫对水的吸附倍率缓慢增长，在10min时材料的吸水倍率为0.3g／g；当时间超过10min，材料对水的吸附量稳定在0.3g／g左右。实验结果表明发泡聚丙烯泡沫具有良好的油水选择性，是亲油疏水性材料。

2.2 吸附动力学

不同时间时发泡聚丙烯泡沫在25℃下对柴油的吸附倍率曲线如图3所示。从图3中可以看出，发泡聚丙烯泡沫浸入柴油后的吸油倍率能在1min达到7.6g／g，在15min达到9.2g／g，在20min达到9.4g／g；超过20min后发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附倍率几乎不增长。

将发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附动力学数据按照伪二级吸附动力学方程进行拟合［12］。伪二级吸附动力学方程可表示为：

其中，qe、qt分别为吸附达到平衡时和吸附时间为t时的吸附倍率；k为吸附速率常数。将（1）式积分得到：

e和截距求出。将发泡聚丙烯泡沫吸附达饱和吸附倍率95%所需的吸附时间定义为饱和吸附时间［13］。对图3的实验数据进行二级动力学方程拟合，拟合曲线如图3所示，伪二级吸附动力学方程可以很好地描述发泡聚丙烯泡沫的吸附过程，

图3 吸油倍率和伪二级吸附动力学方程拟合曲线

2.3 发泡聚丙烯泡沫对不同油品的吸附效果

根据工业生产以及日常生活中油品使用的实际状况，选取了4种具有代表性的油品，分别为甲苯、柴油、机油和食用油。

由2.2实验结果可知发泡聚丙烯泡沫对柴油的饱和吸附时间为22min，所以本实验分别选取5min和1h2个时间节点测试发泡聚丙烯泡沫对不同油品的吸附效果，结果如图4所示，可见发泡聚丙烯泡沫对于各类油品都有较好的吸附效果。由图4可知，当吸附时间为5min时发泡聚丙烯泡沫对不同种类油品的吸附倍率有较大差别，对甲苯的吸附倍率最高（8.5g／g），对食用油的吸附倍率相对较低（5.5g／g）。然而在1h测得的发泡聚丙烯泡沫对甲苯、柴油、机油和食用油的饱和吸附倍率都在9.5g／g左右。这可能是由于发泡聚丙烯泡沫对油品的吸附倍率受到油品密度和黏度的影响，从而导致在5min时测得的发泡聚丙烯泡沫对不同种油品的吸附倍率不同；从1h测得的吸附倍率可以看出在吸附时间充分的情况下，发泡聚丙烯泡沫对各类油品都能有稳定的吸附量。

图4 发泡聚丙烯泡沫对不同种油品的吸附

2.4 发泡聚丙烯泡沫的重复利用性能

重复利用性也是吸油材料性能优良的体现，良好的重复利用性可以大大减少处理污染的费用。本文选取饱和吸油倍率和净吸油倍率2个指标对发泡聚丙烯泡沫的重复利用性能进行研究，净吸油倍率指发泡聚丙烯泡沫去除经过离心脱油后残留在泡沫内部的油品量而重新吸附的油品量，实验结果如图5所示。

发泡聚丙烯泡沫对柴油的饱和吸油倍率在重复利用8次时仍能达到9.5g／g；在重复利用多次时发泡聚丙烯泡沫的净吸油量也稳定在6.5g／g左右。实验结果表明该材料的重复利用性能优异，在多次重复利用后，发泡聚丙烯泡沫仍然能保持稳定的吸附倍率，这大大减少了资源的消耗并节约成本。2.5 温度对发泡聚丙烯泡沫吸油性能的影响

图5 发泡聚丙烯泡沫的重复利用性

由于工业生产工艺的不同，含油污水的温度也会不同，而且油水温度会随着季节的变化而变化，研究温度对发泡聚丙烯泡沫吸油性能的影响很有必要。发泡聚丙烯泡沫在不同温度条件下对柴油的吸附性能如图6所示。

图6 温度对发泡聚丙烯泡沫吸油性能的影响

当吸附时间为5min时，可以看出发泡聚丙烯泡沫在低温环境下的吸油量相对较低，在温度达到30℃时发泡聚丙烯泡沫的吸油效果最好，当温度高于30℃时，发泡聚丙烯泡沫的吸油倍率变化不明显。在吸附时间为1h时，发泡聚丙烯泡沫在不同温度下的吸油倍率都能达到9.5g／g左右。温度对发泡聚丙烯泡沫吸油饱和前的影响比较明显，因为随着温度的升高，油品的黏度降低，这使得油品更容易通过发泡聚丙烯泡沫的吸附作用进入内部而导致吸油材料的吸油倍率增加［14］。但是只要发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸附时间足够，在0～50℃的温度下都能达到9.5g／g的吸油倍率。

2.6 发泡聚丙烯泡沫对水面浮油的去除实验

油类污染的危害主要是水面浮油对水质造成的影响，本实验测试了发泡聚丙烯泡沫对水面浮油的去除效果，结果如图7所示。

由图7可以看出，将一定量的发泡聚丙烯泡沫投入10mm厚的油面中，泡沫快速吸附水面上的浮油，在30min后，发泡聚丙烯泡沫因吸油而沉浸在油品中，并漂浮在水面上。筛网滤油后，剩余油膜厚度为3mm。实验结果表明发泡聚丙烯泡沫对水面浮油的去除效果好，能够在短时间内去除水面上的浮油，并且吸油后不下沉，这有利于吸油泡沫的回收利用。

图7 发泡聚丙烯泡沫对水面浮油的去除效果

3 结 论

（1）发泡聚丙烯泡沫具有良好的亲油性和疏水性，对水面上的浮油有很好的去除效果，在吸油后不下沉，对水的饱和吸附倍率仅为0.3g／g。泡沫材料对柴油的吸附过程符合伪二级吸附动力学方程，饱和吸附倍率为9.5g／g，饱和吸附时间为22min。

（2）发泡聚丙烯泡沫对甲苯、柴油、机油和食用油的饱和吸附倍率都在9.5g／g左右，但对不同油品的吸附速率不同，其中对甲苯的吸附速率最好，对食用油的吸附速率相对较低。

（3）发泡聚丙烯泡沫的重复利用价值高，在重复利用8次时对柴油的饱和吸油倍率仍能达到9.5g／g，净吸油倍率达6.5g／g。

（4）发泡聚丙烯泡沫对柴油的吸油倍率增长快慢受温度的影响较大，在30℃时，吸油倍率增长最快，5min测得的吸油倍率达到8.5g／g，超过30℃后，吸油倍率增长缓慢。

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