丝瓜络吸油测试及组成结构分析

董姗姗

摘 要：本研究着眼于目前我国资源短缺与环境污染的主要矛盾，将丰富的纤维素资源予以利用，以天然丝瓜络为原料，运用扫描电镜方法探究丝瓜络的结构特点，并分析其吸油机理，预计将其应用于海上溢油的清理。同时，实验中考察了表面蜡质对丝瓜络吸附过程的影响。实验结果表明，丝瓜络属于网络状孔隙结构，孔形状为不规则多边形，孔分布较均匀，全开孔，内部网络交联，骨架结构明显。全开孔结构不仅使原油及有机污染物自由通过，其骨架结构还能有效支撑吸入油的重量，保油能力强。用石油醚，乙醚萃取蜡质后的丝瓜络吸附性不及乙醇萃取蜡质后的丝瓜络，表征了丝瓜络表面蜡质与油品之间的范德华力对其吸附性的重要性。

关键词：丝瓜络；表面蜡质；孔洞；吸附性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.258

1 绪论

天然丝瓜络（Vegetable Sponge of Luffa）是干燥的成熟丝瓜果实中的维管束，宏观上呈现三维网状纤维结构，主要由60%纤维素及部分半纤维素、木质素伴生在一起而形成[1-2]。根据黎炎等对丝瓜络化学成分的分析，丝瓜络中主要为酸、酯、烷类等化合物，其中酸类有11种，酯类7种，烷类9种，所占比例分别为52.27%、13.34%和5.23%[3]。目前，在天然植物纤维中，研究较多的有甘蔗渣[4-5]、杨絮[6]、棉纤维[7]、玉米秸秆[8]等，而对丝瓜络的研究很少[9]。早先，对丝瓜络纤维的应用研究主要集中在它的药用价值和各类生活用品的制备上，最近几年则主要应用研究于环境保护材料领域，例如毛金浩等研究了化学改性后的丝瓜络对金属离子的吸附[2]，杨红等研究了丝瓜络在手性分离方面的性能[10]，胡楠等探究了丝瓜络对污染物的吸附性能，Ghania HENINI等研究了丝瓜络对苯酚的吸附性能[11]，Aylin等研究了丝瓜络对染料的吸附[12]。丝瓜络具有独特的多孔物理结构，如图1。另外丝瓜络还拥有优良的机械强度，能与一些金属蜂窝材料（如泡沫铝和Ni-P microlattices等）相媲美的刚度、强度和能量吸收能量能力，在相似的密度条件下，丝瓜络比其他可用的蜂窝材料（如聚苯乙烯泡沫塑料、Ni-P microlattices等）的强度更大[13]。

2 吸油测试实验

2.1 实验原料和器材

丝瓜络，在市场购买产于江苏泰州；烧杯；PL403电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；索氏提取器DHG-9023A型电热恒温鼓风干燥箱。吸油性能测试中所用油品如表1所示；索氏提取器用到的提取劑如表2所示。

2.2 实验步骤

对天然未处理的丝瓜络分别以无水乙醇、石油醚和乙醚为溶剂，用索氏提取器萃取其表面蜡质和灰分，萃取时间均为3h。然后分别对天然未处理的丝瓜络和经萃取的3种丝瓜络进行下述实验步骤：

（1）模拟海上溢油后的油水混合系统：在250ml的烧杯中分别加入10ml的机油和100ml的人造海水（将35g氯化钠溶解于1000ml去蒸馏水中）；

（2）剪裁一定大小的丝瓜络于60℃鼓风干燥箱中干燥2h，然后称量M0；

（3）将油水混合体系静置5分钟达到平衡后放入干燥好的丝瓜络；

（4）吸附30min后从烧杯中垂直取出，静止滴淌5min后称其重量Mf，随后将其放入60℃的烘箱中烘4h，以去除吸附的水分，再称其重量Mw；

（5）计算吸油（水）倍率：吸油（水）倍率=吸油（水）量/干燥丝瓜络重量，如下2-1、2-2公式分别为吸油倍率和吸水倍率公式。

Q=（Mw-M0）/M0 （2-1）

q=（Mf-Mw）/M0 （2-2）

其中M0（g）为吸油和水前丝瓜络纤维的重量；Mf（g）为吸收了油和水后丝瓜络纤维的重量；Mw为将水排除后的丝瓜络的重量；Q（g/g）为丝瓜络吸油倍率；q（g/g）是丝瓜络的吸水倍率。

2.3 微观组织和形貌表征

采用OLYMPUS BX53生物显微镜观察未处理的和经石油醚（无水乙醚、无水乙醇）提取表面蜡质的丝瓜络的表面形貌，探究表面蜡质对其吸油性能的影响。

将丝瓜络样品用双面胶固定在铜板上，进行表面喷金处理后利用Hitachi（日立）S-3400N扫描电子显微镜观察丝瓜络表面形貌。

2.4 结果与分析

2.4.1 吸油性评价

根据吸油测试实验，测得天然未处理的和经过处理的丝瓜络（分别以无水乙醇、石油醚和无水乙醚为溶剂，用索氏提取器萃取了其表面蜡质、灰分的丝瓜络）在油水混合体系中的吸油（机油）倍率（Q）和吸水倍率（q）如表3所示。

2.4.2 丝瓜络表面形貌分析

用扫描电镜观察天然未处理丝瓜络表面形貌，结果如图2所示，天然丝瓜络表面覆盖有一层灰分、蜡质，而且表面比较粗糙，存在凹坑部分。正是由于表面有亲油蜡质层（表面蜡质含量是决定纤维表面亲油疏水性的重要因素[14]）和凹坑，丝瓜络才具有一定的吸油能力。

用生物显微镜观察经不同化学溶剂萃取处理后丝瓜络表面形貌，结果如图3所示。从a、b、c、d图中可以看出，蜡质量：a>b>c≈d，天然未处理的丝瓜络表面蜡质量最多，经过无水乙醚萃取的丝瓜络表面最少。其原因有两个：（1）沸点：无水乙醇（78.5℃）>石油醚（40～80℃）>石油醚（34.6），所以在相同萃取时间下，无水乙醚的虹吸次数最多，无水乙醇最少，石油醚居中，虹吸次数多也就意味着萃取次数多；（2）极性：无水乙醇属水溶性物质极性较大，石油醚和无水乙醚均属脂溶性物质极性较小，根据相似相容原理丝瓜络纤维表面蜡质易溶于石油醚和乙醚。

根据吸油实验结果，未处理丝瓜络吸油倍率较大，而经石油醚或乙醚萃取过的丝瓜的吸油倍率较小，结合扫描电镜和生物显微镜分析，表面丝瓜络纤维素表面的蜡质是影响其吸油性的重要因素。另外，吸油实验显示丝瓜络纤维有一定的吸水性，根据红外光谱测试[15-16]，这与丝瓜络中纤维素上的亲水性羟基（-OH）有关。

參考文献：

[1]胡楠.改性丝瓜络纤维素对污染物的吸附性能研究[D].河南师范大学，2013.

[2]毛金浩，刘引烽，杨红等.丝瓜络的化学改性及其对金属离子的吸附[J].水处理技术，2008，34（07）：46-50.

[3]黎炎，李文嘉，王益奎等.丝瓜络化学成分分析[J].西南农业学报，2011，24（02）：529-534.

[4]姜玉，庞浩，廖兵.甘蔗渣吸附剂的制备及其对Pb^ 2+， Cu^ 2+， Cr^ 3+ 的吸附动力学研究[J].中山大学学报：自然科学版，2009，47（06）：32-37.

[5]涂芳，孙可伟，李如燕.甘蔗渣/LDPE 发泡木塑复合材料的研究[J].塑料工业，2007，35（05）：16-19.

[6]Likon M，Rem?kar M，Ducman V， et al. Populus seed fibers as a natural source for production of oil super absorbents[J]. Journal of environmental management， 2013（114）：158-167.

[7]许云辉.选择性氧化法制备环境友好型功能棉纤维研究[D].苏州：苏州大学，2006.

[8]罗冬，谢翼飞，谭周亮等.NaOH改性玉米秸秆对石油类污染物的吸附研究[J].环境科学与技术，2014，37（01）：28-32.

[9]杨红，陆强，冉明浩等.丝瓜络的有机吸附与结构间的关系[J].中国化学会第15届反应性高分子学术讨论会论文摘要预印集，2010.

[10]杨红，刘引烽，毛金浩等.丝瓜络的化学修饰及其对混旋体的拆分特性[J].离子交换与吸附，2009，25（02）：174-184.

[11]Henini G，Laidani Y，Souahi F，et al.Study of static adsorption system phenol/Luffa cylindrica fiber for industrial treatment of wastewater[J].Energy Procedia，2012， 18：395-403.

[12]Alt?n???k A，Gür E，Seki Y.A natural sorbent，Luffa cylindrica for the removal of a model basic dye[J].Journal of hazardous materials，2010，179（01）：658-664.

[13]Shen J，Min Xie Y，Huang X，et al.Mechanical properties of luffa sponge[J].Journal of the mechanical behavior of biomedical materials，2012，15：141-152.

[14]孙向玲.天然纤维素纤维对油液介质的吸附性能研究[D].东华大学，2011.

[15]Ola Abdelwahab. Assessment of raw luffa as a natural hollow oleophilic fibrous sorbent for oil spill cleanup[J].Alexandria Engineering Journal，2014，53（1）： 213-218

[16]Tanobe V O A，Sydenstricker T H D，Munaro M，et al.A comprehensive characterization of chemically treated Brazilian sponge-gourds （Luffa cylindrica）[J]. Polymer Testing，2005，24（04）：474-482.