Отримання та характеристика лігноцелюлозного сорбенту нафти шляхом гідротермічної обробки

Юе Чжан

1 Пекінська ключова лабораторія лігноцелюлозної хімії, Пекінський лісотехнічний університет, Пекін 100083, Китай; Електронні листи: moc.361@4050gnahzy (Y.Z.); moc.621@211311gnehsgnay (S.Y.); moc.621@361qjuw (J.-Q.W.)

Шен Ян

Цзянь-Цюань Ву

Тун-Ці Юань

Run-Cang Sun

2 Державна ключова лабораторія целюлозно-паперової техніки, Південно-Китайський технологічний університет, Гуанчжоу 510640, Китай

Анотація

Це дослідження спрямоване на досягнення оптимальних умов гідротермічної обробки та ацетилювання волокна Populus для поліпшення його сорбційної здатності до нафти (OSC) в олійно-водяній суміші. Характеристики гідролізованих та ацетильованих волокон порівняно досліджували за допомогою FT-IR, CP-MAS 13 C-ЯМР, SEM та TGA. Оптимальні умови гідротермічної обробки та ацетилювання були отримані при 170 ° C протягом 1 години та 120 ° C протягом 2 годин, відповідно. Максимальна OSC гідролізованого волокна (16,78 г/г) була трохи нижчою, ніж у ацетильованого волокна (21,57 г/г), але обидва вони були вищими за максимальну OSC немодифікованого волокна (3,94 г/г). Крім того, ацетилювання після гідротермічної обробки волокна Populus було непотрібним, оскільки приріст максимального OSC становив лише 3,53 г/г. І на гідролізованому, і на ацетильованому волокнах Populus спостерігалося отвір просвіту, що забезпечує сильне захоплення масла. Показано, що термічна стабільність модифікованих волокон була підвищена в порівнянні зі стабільністю волокна. Гідротермічна обробка пропонує новий підхід до приготування лігноцелюлозного сорбенту масла.

1. Вступ

Нафта є одним з найважливіших запасів енергії в сучасному індустріальному суспільстві. Він широко використовується в нафтохімії, транспорті, виробництві машин та інших важливих галузях [1]. Поки нафта експлуатується, транспортується, використовується та зберігається, існує ризик розливу, який спричинить значний вплив на навколишнє середовище внаслідок катастроф танкерів, відмов в експлуатації, пошкодження обладнання або стихійних лих [2,3,4]. Витік нафти не лише призводить до втрати невідновлюваних ресурсів, але й загрожує здоров’ю морських істот та людей. Забруднення навколишнього середовища, спричинене розливом нафти, викликає дедалі більше занепокоєння, отже, надзвичайно важливо розробити стратегії боротьби з витоком нафти.

У багатьох попередніх роботах повідомлялося, що гідрофобність органічних природних сорбентів може бути підвищена відповідними модифікаціями, такими як ацетилювання, силілювання, прищеплення олеїновою кислотою, термічна карбонізація та покриття полі-н-бутилметакрилатом (PBMA)/SiO2 [4,7,13, 19,20,21]. Ацетилювання ангідридом оцтової кислоти є одним із найпростіших, найдешевших та найбезпечніших методів для поліпшення OSC, міцності, стабільності розмірів та стійкості до розпаду біокомпозитів серед цих модифікацій [22,23]. Однак такі каталізатори, як піридин, диметиламінопіридин або N-бромсукцинімід, необхідні для прискорення реакції ацетилювання, які є токсичними та дорогими для широкомасштабного застосування. Беручи до уваги всі ці фактори, терміново слід дослідити новий підхід модифікації для отримання природних сорбентів з високим вмістом OSC економічним та екологічним способом.

Гідротермічна обробка є економічною та екологічно чистою технологією, оскільки середовище містить лише сировину та воду і може застосовуватися до всіх типів лігноцелюлозної біомаси [24]. У процесі гідротермічної обробки геміцелюлози гідролізуються при підвищеній температурі та тиску, а гідроксильні групи в клітинних стінках рослин зменшуються [25]. Кристалічна целюлоза в основному гідролізується на її кристалічній поверхні, а внутрішня кристалічна структура целюлози підтримується [26]. В результаті збільшується частка кристалічної області матеріалу, що обробляється гідротермою [27,28]. Як тільки температура обробки піднімається вище температури фазового переходу лігніну, краплі лігніну осідають на залишкових поверхнях [29,30]. Усі ці причини сприяють зменшенню гідроскопічності лігноцелюлозних матеріалів, що обробляються гідротермою.

У цьому дослідженні гідротермічна обробка волокна Populus була застосована як новий метод приготування лігноцелюлозного сорбенту масла. Також проводили ацетилювання волокна Populus без будь-яких каталізаторів. Порівняльно досліджені оптимальні умови цих двох різних методів модифікації та характеристики отриманих сорбентів.

2. Результати та обговорення

2.1. Вплив умов реакції на сорбційну здатність

У таблиці 1 наведено OSC ацетильованого волокна Populus (APF), гідролізованого волокна Populus (HPF) та ацетильованого волокна Populus після гідротермальної обробки (AHPF) в різних умовах реакції. Було помічено, що понад 30% сирого волокна Populus (RPF) опускається на дно колби в експерименті з сорбції нафти. RPF мав низький рівень OSC (3,94 г/г). Очевидно, ацетилювання та гідротермічна обробка суттєво збільшили OSC волокна Populus. Фактори, що впливають на OSC, були різні умови обох методів лікування.

Таблиця 1

Вплив різних умов реакції на сорбційну здатність нафти.

Стан гідротермічної обробки Стан ацетилювання Модифіковане волокноТемпература (° C) Час реакції (h) Температура (° C) Час реакції (h) No зразка OSC (г олії/г волокна)

- а	-	-	-	1	3.94
-	-	100	2	2	17.40
-	-	120	2	3	21.57
-	-	140	2	4	19,79
-	-	120	1	5	13.54
-	-	120	3	6	17.74
170	0,5	-	-	7	16.02
170	1	-	-	8	16,78
180	1	-	-	9	16.39
200	1	-	-	10	12.65
220	1	-	-	11	7,66
170	0,5	120	2	12	17.98
170	1	120	2	13	20.30
180	1	120	2	14	19.04
200	1	120	2	15	8.49
220	1	120	2	16	8.33