Pamutszálas alapú szorbensek a kőolajszivárgások kezelésére

Yongsoon Shin

† Anyagtudományok, Pacific Northwest National Laboratory, 902 Battelle Boulevard, Richland, Washington 99352, Egyesült Államok

Kee Sung Han

† Anyagtudományok, Pacific Northwest National Laboratory, 902 Battelle Boulevard, Richland, Washington 99352, Egyesült Államok

Bruce W. Arey

‡ Nukleáris tudományok, a csendes-óceáni északnyugati nemzeti laboratórium, 902 Battelle Boulevard, Richland, Washington 99352, Egyesült Államok

George T. Bonheyo

§ Chemical and Biological Signature Science, Csendes-óceán északnyugati nemzeti laboratóriuma, 902 Battelle Boulevard, Richland, Washington 99352, Egyesült Államok

∥ Gene and Linda Voiland Vegyészmérnöki és Biomérnöki Iskola, Washington Állami Egyetem, Pullman, Washington 99164, Egyesült Államok

Absztrakt

Bevezetés

Az olaj az utóbbi néhány évtizedben fő energiaforrás volt, de a véletlenszerű kiömlések jelentős környezeti aggályokat és az emberi egészséget veszélyeztettek. 1 A nyílt vízben bekövetkezett olajszennyezésekre adott aktív válaszok közé tartozik a szorbensek, diszpergálószerek, a soványítás, a pásztorok, a gémek és az in situ égés. 2 A szorbció és a zsírtalanítás lehetővé teszi az olaj befogását és kinyerését, ezáltal csökkentve a környezetben maradó szennyező anyagok mennyiségét. 2 Az oleofilicitású, hidrofób tulajdonságú és az olaj visszatartó/visszanyerő képességű szorbensek mind a vastag, mind a vékony rétegeknél hatékonyak lehetnek, különböző időjárási körülmények között. A szerves szorbens anyagok potenciálisan kívánatosak, mivel az olajozott szorbenset végül meg kell tisztítani vagy ártalmatlanítani kell, és hagyni lehet, hogy a szerves szorbensek lebomlanak a maradék olajjal a parton. 3

Számos tudományos erőfeszítés bizonyított módszereket a természetes szerves szorbens anyagok jótékony tulajdonságainak javítására. 4,5 A természetes szorbens anyagok, például a rizshéj, a fapamut és a kenaf vonzóak az olajszivárgó szorbensek számára, magas olajszorpciós képességük, biológiai lebonthatóságuk és költséghatékonyságuk miatt. 4,6,7 A nyers gyapot esetében a kisebb átmérőjű rostokból álló alacsony mikrotartalmú (a sűrített szálak légáteresztő képessége) gyapot magasabb nyersolaj-szorpciót mutatott, mint a nagy mikroméretű pamut (vastagabb rostok), mert a finomabb rost hozzáférhetőbb helyeket biztosít a felszíni adszorpcióhoz és a rostok közötti kapilláris szorpcióhoz. 8–10 A szintetikus polimerek, mint például a polipropilén, a polisztirol rost és a poliuretán, általában magas olajszorpciós kapacitással rendelkeznek, 11–13, de olajszármazékokból és drága forrásokból készülnek. Néhány más szuperhidrofób gyantaanyagot is fejlesztettek, de ezek nem megújíthatók és bonyolult előkészítési eljárással rendelkeznek, amelyek veszélyes melléktermékeket szabadítanak fel. 15−17

Számos tudós bebizonyította, hogy a természetes szorbensek szabad felszíni hidroxilcsoportjai alkilcsoportokkal helyettesítik hidrofób és oleofil tulajdonságaik fokozását. A szabad hidroxilcsoportok egyszerű acetilezése katalizátorok jelenlétében vagy katalizátorok hiányában a leghatékonyabb módszer a felület módosítására, de a rövid acetilcsoportok néha nem elegendőek ahhoz, hogy egy teljes felületet hidrofóbá tegyenek (18), ami közvetetten már önmagában is nyilvánvaló. alacsony tömegszázalékos nyereség (WPG) az acetilezést követően (19, 20 Ezzel szemben a hosszú alkilcsoportok jelentősen hozzáadják a szorbens polimer felületét, és ezért nagyobb lehetőségük van a szorbens felület hidrofobicitásának növelésére. A zsírsavak ígéretes antibakteriális szerek is amelyek destabilizálják a baktériumsejtek membránjait, közvetlen és közvetett gátló hatásokat okozva.

Számos erőfeszítést hajtottak végre a természetes szorbensek hosszú alkilláncú zsírsavak alkalmazásával történő módosítására. A hidroxilcsoportok zsírsavakkal való egyszerű helyettesítő reakciója savkatalizátorok jelenlétében azonban versenyképes dehidrációhoz vezetett a cellulóz felületén, mivel a szilárd felületen lévő hidroxil-nukleofilek nem túl hatékonyak ilyen körülmények között. Korábbi munkánk kimutatta, hogy egy jó kilépő csoport kötése a cellulóz felületére, majd a zsírsavval történő helyettesítés nagyon hatékony volt, és alacsony hőmérsékletű reakcióeljárással magas tömegszázalékos növekedést eredményezett. Az így kevert zsírsavakkal módosított fűrészpor fokozott nyersolaj-szorpciós képességet és nagyon magas vízzel való érintkezési szöget mutatott.

Ebben a tanulmányban egy egyszerű módszerről számolunk be a pamutszál felületének C18 zsírsavval történő módosítására 50 ° C-os sütő alkalmazásával. A pamutszálon lévő kitett hidroxilcsoportokat C18 zsírsavakkal módosítottuk, így nagyon hidrofób felületet kaptunk. A módosított pamutszálak könnyen elválaszthatók a reakcióelegytől, amely heterogén volt, és a nyersolaj szorpciós kapacitása a nyers pamutszálhoz viszonyítva körülbelül 50% -kal volt magasabb. A módosított rostok szerkezeti, kémiai, termikus és felületi jellemzése betekintést nyújt a megnövekedett szorpciós kapacitás alapjául szolgáló mechanizmus (ok) ba.

Eredmények és vita

A kezeletlen pamutszál viaszt tartalmaz, amely a rostot természetesen hidrofóbá teszi, de a viaszt inkább bevonják, mint kémiailag. Az 1. táblázat összefoglalja az ebben a vizsgálatban használt nyers és módosított pamutszál minták fizikai tulajdonságait. Egy egyszerű extrakciós módszerrel meg lehet határozni a gyapotrost viasztartalmát, és ez általában körülbelül 0,6–13 tömeg%. 25,26 A nyers pamutszál, amelyet ebben a vizsgálatban használtunk, 5,78% szennyeződést tartalmazott, beleértve a viaszt is. A nyers pamutszál magas cellulóz-tartalmi arányát (96,22%) kémiailag módosították a C18 lánccal (43,04% cellulóz). Nagy mennyiségű C18-lánc kémiai beépítése a pamutszálakba a sűrűség jelentős csökkenéséhez vezetett (1,528 → 1,066 g/cm 3). A pamutszál hozzáférhető OH-tartalma 16,93 mol/kg volt, ami az elméleti maximálisan elérhető OH-csoport-tartalom (18,5 mol/kg) 91,5% -a, a pamutszálban elérhető OH-csoportok 22 és 83,4% -a volt kémiailag módosítva C18-mal láncok. Amikor a gyapotrostot C18 zsírsavval módosítottuk, majd diklór-metánnal mostuk és 60 ° C-on egy éjszakán át szárítottuk, a tömegszázalékos nyereség (WPG) 132,36% volt. A módosított pamutszál hidrofób tulajdonságát nedvességszorpciós teszttel bizonyítottuk K2CO3 kamrában 20 ° C-on. A pamutszál nedvességszorpciója (3,92–4,22%) jelentősen, 0,13–0,21% -ra csökkent a módosított pamutszál esetében.