Yongsoon Shin
† Материални науки, Тихоокеанска национална лаборатория, 902 Battelle Boulevard, Ричланд, Вашингтон 99352, САЩ
Ки Сун Хан
† Материални науки, Тихоокеанска национална лаборатория, 902 Battelle Boulevard, Ричланд, Вашингтон 99352, САЩ
Брус У. Арей
‡ Ядрени науки, Тихоокеанска национална лаборатория, булевард 902 Battelle, Ричланд, Вашингтон 99352, САЩ
Джордж Т. Бонхейо
§ Наука за химически и биологични подписи, Тихоокеанска национална лаборатория, 902 Battelle Boulevard, Ричланд, Вашингтон 99352, САЩ
School Училище за химическо инженерство и биоинженерство Gene and Linda Voiland, Вашингтонски държавен университет, Pullman, Вашингтон 99164, САЩ
Резюме
Въведение
Нефтът е основен енергиен източник през последните няколко десетилетия, но случайните разливи са довели до големи опасения за околната среда и заплахи за човешкото здраве. 1 Активните реакции при разливи на нефт в открити води включват използването на сорбенти, диспергатори, обезмасляване, пастири, стрели и изгаряне на място. 2 Сорбцията и обезмасляването могат да позволят улавянето и извличането на маслото, като по този начин намаляват количеството замърсители, останали в околната среда. 2 Сорбенти с олеофилност, хидрофобност и капацитет за задържане/възстановяване на маслото могат да бъдат ефективни както за дебели петна, така и за тънки блясъци при редица метеорологични условия. Органичните сорбентни материали имат потенциална желателност, тъй като смазаният сорбент в крайна сметка трябва да бъде почистен или изхвърлен, а органичните сорбенти могат да бъдат оставени да се разграждат с остатъчно масло обратно на брега. 3
Много научни усилия демонстрират методи за повишаване на полезните свойства на естествените органични сорбентни материали. 4,5 Естествените сорбентни материали като оризов корпус, дървесен памук и кенаф са привлекателни за сорбентите от нефтени разливи поради високия си сорбционен капацитет, биоразградимост и икономическа ефективност. 4,6,7 В случая на суров памук, памукът с ниска микропроницаемост (въздухопропускливост на сгъстените влакна), който е съставен от влакна с по-малък диаметър, показва по-висока сорбция на суров нефт от тази на памук с висок микронен (по-дебели влакна) осигурява по-достъпни сайтове за повърхностна адсорбция и междувлакнеста капилярна сорбция. 8-10 Синтетичните полимери като полипропилен, полистиролови влакна и полиуретан обикновено имат висок капацитет за сорбция на масло, 11-13, но те се произвеждат от странични нефтени странични продукти и скъпи ресурси. 14 Някои други суперхидрофобни смолисти материали също са разработени, но те са невъзобновяеми и имат сложен процес на подготовка, който отделя опасни странични продукти. 15-17
Много учени са демонстрирали замяната на свободните повърхностни хидроксилни групи на естествените сорбенти с алкилови групи, за да се подобри тяхната хидрофобност и олеофилност. Простото ацетилиране на свободни хидроксилни групи в присъствието на катализатори или в отсъствие на катализатори е най-ефективният метод за модифициране на повърхността, но късите ацетилови групи понякога са недостатъчни, за да направят цялата повърхност хидрофобна, 18 което косвено се вижда от самия ниско тегловно увеличение (WPG) след ацетилиране (19,20 За разлика от това, дългите алкилови групи добавят по-значително към повърхността на сорбентния полимер и следователно имат по-голям потенциал за увеличаване на хидрофобността на повърхността на сорбента. Мастните киселини също са обещаващи антибактериални агенти които дестабилизират бактериалните клетъчни мембрани, причинявайки редица преки и индиректни инхибиторни ефекти.21,22 Следователно, модифицираните с мастни киселини сорбенти от памучни влакна могат да се съхраняват продължително време и може да имат повишена стабилност и активност при мокри и богати на хранителни вещества условия.
Предприети са много усилия за модифициране на естествените сорбенти с използване на мастни киселини с дълги алкилни вериги. Обаче проста реакция на заместване на хидроксилни групи с мастни киселини в присъствието на киселинни катализатори доведе до конкурентна дехидратация на целулозната повърхност, тъй като хидроксилните нуклеофили на твърдата повърхност не са много ефективни при тези условия. Предишната ни работа демонстрира, че прикрепването на добра напускаща група върху целулозната повърхност, последвано от заместване с мастна киселина, е високо ефективно и води до повишаване на теглото в проценти при използване на реакция при ниска температура. 23,24 дървени стърготини, модифицирани по този начин със смесени мастни киселини, показват повишена способност за сорбция на сурово масло и много високи ъгли на контакт с вода.
В това проучване ние съобщаваме за прост метод за модифициране на повърхността на памучните влакна с мастна киселина C18, използвайки фурна с температура 50 ° C. Изложените хидроксилни групи върху памучните влакна бяха модифицирани с мастни киселини С18, за да се получи много хидрофобна повърхност. Модифицираните памучни влакна се отделят лесно от реакционната смес, която е хетерогенна и показват около 50% повишена сорбционна способност на суровия нефт спрямо тази на суровите памучни влакна. Структурната, химическата, термичната и повърхностната характеристика на модифицираните влакна дават представа за механизма (механизмите), в основата на който е засиленият сорбционен капацитет.
Резултати и дискусия
Необработените памучни влакна съдържат восък, което прави влакното естествено хидрофобно, но восъкът е покрит, а не химически свързан. Таблица 1 обобщава физическите свойства на пробите от сурови и модифицирани памучни влакна, използвани в това проучване. Един прост метод на екстракция може да определи съдържанието на восък в памучните влакна и обикновено е около 0,6–13 тегл.%. 25,26 Суровите памучни влакна, които използвахме в това проучване, съдържаха 5,78% примеси, включително восък. Високото съотношение на целулозно съдържание (96,22%) в суровите памучни влакна е химически модифицирано с веригата С18 (43,04% целулоза). Химичното включване на големи количества вериги С18 в памучните влакна доведе до значително намаляване на плътността (1,528 → 1,066 g/cm 3). Достъпното съдържание на OH в памучните влакна е 16,93 mol/kg, което е 91,5% от теоретично максимално достъпното съдържание на OH група (18,5 mol/kg), 22 и 83,4% от достъпните OH групи в памучното влакно са химически модифицирани с C18 вериги. Когато памучното влакно се модифицира със С18 мастна киселина, последвано от измиване с дихлорометан и сушене при 60 ° С в продължение на една нощ, увеличението на теглото (WPG) е 132,36%. Хидрофобното свойство на модифицираното памучно влакно е демонстрирано чрез тест за сорбция на влага в камера K2CO3 при 20 ° C. Сорбцията на влага (3,92–4,22%) на памучното влакно е значително намалена до 0,13–0,21% за модифицираното памучно влакно.