Polietilén és polivinil-kloriddal kevert polisztirol nanoszálas szorbensek és alkalmazásuk a különféle olajszennyezések eltávolításában

1 Kémiai Tanszék, Egyesült Arab Emírségek Egyetem, P.O. Box 15551, Al Ain, Egyesült Arab Emírségek

Absztrakt

1. Bemutatkozás

A polimereket az előállítás, a módosítás és a funkcionalizálás egyszerűsége jellemzi, összehasonlítva más anyagosztályokkal. Más anyagosztályokkal is összekeverték olyan kompozitok előállítására, amelyek ezen kompozitok alkotóelemeinek együttes előnyeit nyújtják a legkülönbözőbb alkalmazásokban [1, 2]. A polimerek szerkezeti módosításai kiterjesztik ezeket az alkalmazásokat, és kiküszöbölik az egyetlen polimer esetleges hiányosságait. A módosításokat leggyakrabban a polimer szerkezetében és molekulatömegében, valamint olyan kopolimerek alkalmazásával hajtják végre, amelyek biztosítják a kopolimer alkotóelemek együttes tulajdonságait.

A polimer módosításának további módszere a keverés; olyan eljárást alkalmaznak, amely magában foglalja az érdeklődő fő polimer összekeverését más komponensekkel, így javított tulajdonságú kompozit keveréket vagy keveréket kapnak [3]. A polimerek keverése egyre fontosabbá válik a különböző alkalmazásokban a tulajdonságok javítása, a feldolgozás javítása vagy az előállítási költségek csökkentése érdekében [4]. A keverés magában foglalhatja egy másik anyagosztály hozzáadását is a polimerekhez, például az agyag-polimer nanokompozitok előállításának folyamatát [5–7]. A polimer keverést két vagy több különböző polimer keverésével is el lehet érni a folyékony fázisban [8]. Különböző osztályú polimerek keverése keverhető és nem elegyedő keverékeket eredményezhet a fáziselválasztási jelenség miatt [9]. A polimer keverék keverhetőségét viszkozimetriával értékelik, amely információt nyújt a keverés során a polimerek kölcsönhatásairól is [10, 11].

A polimerekből és keverékekből készült szálak egyik környezeti alkalmazása a kiömlött olaj megtisztítása és a vizes közegtől való elválasztása [22]. Természetes [23–33] és szintetikus [34–38] eredetű rostos szorbenseket vizsgáltak e tekintetben; szorpciós kapacitásuk azonban korlátozott volt. A polisztirol elektrofonott szálai a μAz m/nm skálát, mint potenciális hidrofób szintetikus polimert olajszorpciós alkalmazásokban, alaposan tanulmányozták [39–41]. Megvizsgálták a nanoporózus PS mikroszálak potenciálját a motor-, bab- és napraforgómagolajok megtisztításában. Ezen olajok maximális szorpciós kapacitása azonban a 20–110 g/g tartományban volt, amely állítólag 3-4-szer nagyobb, mint a kereskedelmi forgalomban lévő polipropilén szálaké [40]. Korábbi eredményeink azt mutatták, hogy a PS mikroszálas szorbensek nagyobb affinitást mutatnak a különböző típusú nyersolaj kiömlésekkel szemben, megközelítve a 217 g/g-ot [41]. Kísérleteink megmutatták az olajszorpció függését a nyersolaj fizikai jellemzőitől, például sűrűségétől és viszkozitásától, valamint a rostos szorbensek tulajdonságaitól és porozitásuk összekapcsolhatóságától [41].

A homopolimerekből készült szálas szorbensek alkalmazása mellett különböző polimerek keverékeit és keverékeit is vizsgálták, mint potenciális olajszivárgó szorbenseket [42, 43]. Ígéretes eredményeket mutattak a PS PVC-hez való keverésével [44]. A PS-koncentrációk második polimerként történő alkalmazása a PVC-oldatban növelte a polimer kémiai és fizikai tulajdonságait [44]. Legfrissebb kutatásaink szerint a PS és a PVC elektrofonása növelte a polimer szorpciós képességét a tiszta PVC rugalmas tulajdonságainak fokozása miatt [44]. Hasonló eredményeket kaptunk, amikor a PS-t PU-val kevertük [45]. Egy nemrégiben készült tanulmány során értékelték a polivinil-klorid (PVC)/polisztirol (PS) elektrofonott szálak szorpciós kapacitásait a motorolaj, a mogyoróolaj, a dízel és az etilénglikol felszívódásának hatékonyságára vonatkozóan. Az eredmények nagyobb szorpciós kapacitást mutattak, mint a kereskedelemben kapható polipropilén (PP) szorbensek, kiváló olaj/víz szelektivitással [45].

A keverési folyamat során feltételezzük, hogy a polimer-polimer kölcsönhatások dominálják a polimer-oldószer kölcsönhatásokat. A polimerek közötti vonzás esetén a makromolekuláris tekercsek kétkomponensű molekulái megduzzadhatnak, ezáltal növelve a viszkozitást a hidrodinamikai térfogat növekedése miatt [10]. Másrészt, ha taszítás fordul elő, előfordulhat, hogy a makromolekuláris tekercsek zsugorodnak, ami a viszkozitás csökkenéséhez vezet a hidrodinamikai térfogat csökkenése miatt [10]. Kiértékeltük a határfelületi feszültség, viszkozitási arányok és oldhatóság PB/PC, PMMA/PC és PS/PC keverékekkel rendelkező nanoszálakra gyakorolt hatását, ahol arra a következtetésre jutottunk, hogy a polimer komponensek oldhatósági különbségei az elektrofonó oldószerben kulcsszerepet játszottak a nanoszálak eredő fázisszerkezetében [46]. A nagyobb oldhatósági különbségek a maghéj szerkezetek kialakulásához, míg a keverékek összetevőinek kisebb oldhatósági különbségei a folytonos struktúrák kialakulásához vezettek.

Jelen munka az alacsony sűrűségű polietilén (PE) és a poli (vinil-klorid) (PVC) és a polisztirol (PS) mátrix keverésének hatását vizsgálta az előállított rostos szorbensek jellemzőire, majd ezt követően elektrofonási technikával. A PS-PE és PS-PVC keverékekből optimálisan előállított szorbenseket tovább értékelték a nyersolaj, a motorolaj és a dízelolaj szivárgásainak szimulált tengervízből történő eltávolítása iránti affinitásuk szempontjából. Az eredményeket korreláltuk és összehasonlítottuk a kereskedelemben kapható rostos gém eredményeivel. E kísérletek célja összehasonlítani a polimer keverékek és a tiszta polimerek szorbciós hatékonyságát, valamint összehasonlítani a legnagyobb szorpciós kapacitású keverék készítményeket a kereskedelemben kapható rostos szorbens termék szorbciós jellemzőivel. Ez része azon folyamatos erőfeszítéseinknek, amelyek nagy felületű rostos szorbensek előállítására szolgálnak, az olaj szorpciójának nagyobb hatékonyságával, mint a kereskedelemben kapható termékek.

2. Anyagok és módszerek

Polisztirol (PS, Mw = 350 000 GPC-vel), poli (vinil-klorid) (PVC, Mw = 4800 GPC-vel) és polietilén (PE, Mw = 4000 GPC-vel) a Sigma-Aldrich-től (USA) szereztük be. 99,8% -os N, N-dimetil-formamidot (DMF) szintén a Sigma-Aldrich-től (USA) szereztünk be. A kőolajat TOTAL-ban kapták, Abu-Dzabi, Egyesült Arab Emírségek. A kapott nyersolaj viszkozitását 7,0 cP-nek mértük. Használt motorolajat, amelynek viszkozitása 244,4 cP, és dízelüzemanyagot, amelynek viszkozitása 5,8 cP, mind az Egyesült Arab Emírségek helyi benzinkútjáról nyertük, és értékeltük a vizsgált rostos szorbensekre való szorpciós képességüket is. A viszkozitásméréseket Brookfield-i viszkoziméterrel (USA) végezzük 50 fordulat/perc sebességgel.

Az egyes polimerek 5, 10 és 20 tömeg% PS-ben lévő PVC és PE keverékeit PS-ben úgy állítottuk elő, hogy az egyes polimerek megfelelő mennyiségét 24 órán át DMF-ben keverjük, amíg teljesen homogén oldatot nem kapunk. . A kapott PS-PE és PS-PVC keverékek viszkozitását a PVC és a PE koncentrációjának függvényében mértük Brookfield viszkoziméterrel (LV DV-II + Pro EXTRA) Spindle-S34-vel 50 és 100 fordulat/perc sebességgel.

A PS-PE és a PS-PVC keverékeit mikroszálas szorbensekbe elektrospörgettük, elektrospörgő berendezéssel (Spraybase, Írország). Műanyag fecskendőben (MicroTouch Syringe, USA), egy 18 G fém tűsugárzóhoz csatlakoztatott keverékek mindegyikének állandó térfogatát 10 ml-en állandóan 25 kV feszültséggel és 10 ml/h fix áramlási sebességgel szálakba szálaltuk., amelyeket a Syringe Pump Pro szoftver állított be. Az emitter és a fémgyűjtő közötti távolságot 15 cm-nél állandó értéken tartottuk. Az elektrofonási eljárást nem párás atmoszférában, szobahőmérsékleten hajtották végre. Az elektrofonott szálakat alumínium fólialemezre gyűjtötték, és a teljes szárazságig hagyták, mielőtt tanulmányozták szerkezeti és morfológiai jellemzőiket. Ezzel szemben a tiszta PS polimerből készült rostos szorbenseket ugyanazzal az elektrofonási feltételekkel állították elő. Ezenkívül a tiszta PE és PVC polimerek elektrofonását is megkísérelték.

Az elektrofonással szálas szorbensek összetételének kiértékelését Fourier transzformációs infravörös (FT-IR) spektrométer (IRPrestige-21, SHIMADZU) segítségével végeztük átviteli módban és egy temogravimetrikus analizátorral, SHEMADZU (TGA – 50). Az összes mintát 0 és 600 ° C közötti hőmérsékleten melegítettük 10 ° C/perc melegítési sebességgel. A rostos szorbenseket BET felületükre, porozitásukra és pórusméret-eloszlásukra N2-adszorpciós műszerrel (TriStar II PLUS, Micrometrics, USA) is elvégeztük. A rostos szorbensek morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) értékeltük arany bevonat után. Az összes rostos szorbens érintkezési szögének mérését vízzel érintkező szög-rendszerrel (DM-301, Kyowa Interface Science Co) mértük 25 ° C-on.

Különböző előállítási körülmények között elektrofonással nyert rostos szorbenseket értékeltük a teljes kőolajszivárgás szimulált tengervíz-közegből történő szorbálásában mutatott teljesítményük tekintetében, egy kialakított ASTM F726 eljárás szerint [47]. A hagyományos szorpciós kísérlethez hasonlóan 10 ml nyers olajat öntünk egy 100 ml mesterséges tengervizet (35% NaCl) tartalmazó főzőpohárba. Korábbi megállapításaink alapján az egyes szorbensek állandó tömegét, 0,1 g-ot egyenletesen az olaj felületére helyeztük, és hagytuk szabadon lebegni. Különböző, legfeljebb 15 percig tartó érintkezési időintervallum után az olajat tartalmazó szorbenseket eltávolítottuk, 30 másodpercig hagytuk csepegni, és lemértük, hogy értékeljük felvételi kapacitásukat (g/g-ban) a következő egyenlet felhasználásával [48]. A felvétel egyensúlyának elérése érdekében az érintkezési idő további 30 percre meghosszabbodott:

hol Q az olajfelvételi kapacitás (g/g), mo a szorbensek össztömege az olaj leeresztése után, és ms a száraz szorbens tömege. Az eredményeket három ismétlés átlagaként fejezzük ki.

3. Eredmények és megbeszélések

3.1. Viszkozitásmérések

20 tömeg% PS-t tartalmazó teljesen homogén PS-oldat DMF-ben szobahőmérsékleten mérve 175 cP viszkozitást mutat. 5, 10 és 20 tömeg% PVC és PE hozzáadásával PS-hez szobahőmérsékleten figyelemre méltó változás mutatkozott a kapott kevert keverékek viszkozitásában, amint az az 1. (a) ábrán látható. A PVC-PS keverékek viszkozitásának lineáris növekedését figyeltük meg a PVC arányának növekedésével a keverékben, elérve az 550 cP viszkozitást 20 tömeg% PVC hozzáadásával. A PS-oldathoz PE hozzáadásának hatása az előállított keverékek viszkozitására kevésbé volt kifejezett. Ezeket a megállapításokat alátámasztotta a kapott keverékek puszta stresszének változása. Ezenkívül mindkét típusú keverék vizuális megfigyelése azt mutatta, hogy a PVC nagyobb mértékben keverhető a PS-vel DMF-oldatukban, míg a PE és a PS kevésbé keverhető el a DMF-oldatban, mivel szilárd PE-részecskék oldatban szuszpendálódnak.

3.2. SEM mérések

3.3. Porozitás és felületmérés

A PE vagy PVC és PS keverékéből elektroforgatással előállított összes rostos szorbens IV-típusú izotermát mutatott hasonló mértékű N2-adszorpcióval, ami hasonló mértékű pórus-összekapcsolódást jelez. Ez a rostos szorbensek keverékének BET felületének csökkenésével járt, amint azt a 3. ábra (c) ábra mutatja. A tiszta PS rostos szorbens felülete 52,5 m 2/g volt, míg a PS-PVC és PS-PE keverék rostos szorbens felületének következetes csökkenése figyelhető meg, 39,5 és 37,5 m 2/g, ill. Összefüggést lehet tenni a PVC-PS szálkeverékek felülete és a PS-PE szálkeverékek felülete között a saját szálméretükkel is, ahol a PS-PE szálak nagyobb felülete korrelál a kisebb szálméretükkel és fordítva versa.

Az egyes adalékanyagok (PVC és PE) jelenlétét a PS és PS keverékeikből előállított rostos szorbensekben FTIR és TGA analízisekkel igazolták. Valamennyi rostos szorbens FTIR spektruma megmutatta a spektrumok uralmát a PS mátrix sávjaival. A PE és a PVC jelenlétét a megfelelő jellegzetes sávokkal igazolták, amint azt máshol kifejtették [49, 50]. Nem találtak extraband-szalagokat, és a polisztirol-mátrix sávjainak nagyobb elmozdulását sem figyelték meg. Ezek az eredmények azt jelzik, hogy nincs kémiai kölcsönhatás az egyes töltőanyagok és a polisztirol mátrix között.

3.4. Hőelemzés

Különböző arányú PE jelenlétében a PS-PE keverékekben egy teljes meredek súlycsökkenési eseményt mutattak ki, kis eltérésekkel, attól függően, hogy az eredeti keverékben mekkora a PE aránya, amint az a 4. (a) ábrán látható. Ezenkívül az összes keverék rostos szorbens 420 ° C-on elérte ugyanazt a végső platót a polimer szálak teljes lebomlása és bomlása eredményeként. Különböző arányú PVC hozzáadásával viszont a PS-vel alkotott keverékéből készült rostos szorbensek késleltetett súlyvesztést mutattak ugyanolyan tiszta PS-vel, 290 ° C körüli értékkel, amint az a 4. (b) ábrán látható. A HCl eltávolítása a keverék PVC komponenséből nyilvánvaló volt a 10 és 20 tömeg% PVC-t tartalmazó keverékekben. Éppen ellenkezőleg, a maradék PVC-polién bomlása 425 ° C-on korábban kezdődött, mint a tiszta PVC. Hasonlóképpen, a teljes lebomlás, amelyet a harmadik esemény is mutat, korábban 500 ° C körül kezdődött.