CN110451601A - 一种植物基吸油枕及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物基吸油枕及其制备方法，植物基吸油枕包括枕壳和由所述枕壳包裹的枕芯，所述枕壳的材料为疏水改性棉织物，所述枕芯的材料为植物纤维。其中，疏水改性棉织物具有疏水亲油的特点，接触水油混合物时油可以迅速通过疏水改性棉织物，被植物纤维吸附，而水会被阻隔在外。通过枕壳的包裹作用，可避免作为枕芯的植物纤维吸油后松散和漏油。所述吸油枕具有以下优点：吸油速度快，吸油倍率高，油水选择性强，在吸油过程中不吸水；浮力好，能有效吸附水面浮油；便于运输、投放和回收；可以通过挤压的方式对所吸附的油品进行回收；能够多次重复循环利用；可生物降解；制备方法简单，原料来源广泛，成本低。

Description

一种植物基吸油枕及其制备方法

技术领域

本发明涉及吸油材料领域，尤其涉及一种植物基吸油枕及其制备方法。

背景技术

近年来油类污染物已成为水体的主要污染之一。吸附法是较为常见的处理含油废水的方法，该法关键在于选择或制备合适的吸油材料。目前常用吸油材料按照获取的途径不同分为天然吸油材料和合成吸油材料。

天然吸油材料主要有粘土、无定形二氧化硅、植物纤维和纸浆纤维等，优点是来源丰富，价格便宜，使用安全，缺点或是吸油量小，或是吸附性能不稳定，保油能力差，受压时油容易再渗漏出来。

化学合成吸油材料又可分为三种：第一种是具有疏松结构的聚合物材料，如聚丙烯纤维、聚氨酯泡沫等，利用自身疏水亲油的特性和聚合物分子间的空隙来包藏吸油，优点是吸油速度快，吸油率高；第二种是凝胶型，如二亚苄基山梨糖醇、金属皂、氨基酸衍生物等，利用分子间或者物质间的物理凝聚力和在凝胶形成过程中产生的间隙包裹吸油。优点是毒性低，使用安全，吸油率较高，易于集中回收处理。第三种是聚甲基丙烯酸烷基酯等高吸油性树脂，利用亲油基团对油分子的亲和作用，将油吸收到树脂内部而自身发生溶胀来实现吸油。吸油率高，保油能力强，吸油后受压不会再漏油。合成吸油材料虽然有诸多优点，但生产成本高，制备工艺复杂，废弃后难于降解，处理不当有可能造成二次污染的缺点。开发具有高吸附能力、低成本、可重复利用和良好的环境效益的新型吸油材料，是油污染治理的重要内容，具有重要的现实意义和经济价值。

专利CN201720310150.1(一种熔体纳米纤维超高效吸油棉)公开了一种熔体纳米纤维超高效吸油棉，由多孔棉布层、取向纳米聚丙烯纤维吸油层和纳米聚丙烯纤维容油层组成。吸油棉吸收的油通过挤压出可以回收利用，吸油倍率高。但该专利中纳米聚丙烯纤维采用静电纺的方法制备，工艺复杂，目前还难以实现规模化量产。专利CN105799290B(一种用于清理水上油花的复合吸油棉)，公开了一种用于清理水上油花的复合吸油棉，吸油棉本体包括涤纶与木浆纤维复合的无纺布亲水膜层和聚丙烯吸油层两部分构成，能够快速、彻底地吸收水面上漂浮的油花。但涤纶无纺布膜层和聚丙烯吸油层均为合成材料，废弃后吸油棉难以降解，处理不当可能会产生二次污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种植物基吸油枕及其制备方法，克服人工合成高吸油材料容易产生二次污染的问题，以及传统天然吸油材料如植物纤维保油能力差的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种植物基吸油枕，包括枕壳和由所述枕壳包裹的枕芯，所述枕壳的材料为疏水改性棉织物，所述枕芯的材料为植物纤维。

可选的，所述植物纤维为木棉纤维。

可选的，所述疏水改性棉织物为利用低表面能化合物、金属离子和植物多酚改性的棉织物。

可选的，所述植物多酚为单宁酸；所述金属离子选自铜离子、铁离子、银离子、锌离子、镁离子、铝离子和钙离子中的一种；所述低表面能化合物为脂肪族伯胺，所述脂肪族伯胺的碳链长度为12～18。

可选的，所述金属离子为铜离子，所述脂肪族伯胺为十八胺。

一种植物基吸油枕的制备方法，包括以下步骤：

将疏水改性棉织物缝制成枕壳，装入植物纤维，封口形成植物基吸油枕。

可选的，所述疏水改性棉织物由以下步骤制得：

依次用植物多酚溶液和金属离子溶液对棉织物进行喷淋，再洗涤和烘干，完成一次棉织物表面改性；

进行多次棉织物表面改性，获得金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物；

将金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物浸入低表面能化合物溶液中反应，之后取出棉织物烘干，获得疏水改性棉织物。

可选的，所述植物多酚溶液的溶剂为水，所述金属离子溶液的溶剂为水，所述低表面能化合物溶液的溶剂选自乙醇、甲醇和氯仿中的一种。

可选的，所述植物多酚溶液的pH值为5～9，浓度为3.4～10.2mg/mL；所述金属离子溶液的浓度为2.5～10.0mg/mL；

所述低表面能化合物溶液的pH值为8.5，浓度范围为2.0～10.0mg/mL；所述金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物与低表面能化合物溶液的质量比为1:25。

可选的，所述植物多酚溶液喷淋的步骤结束后需静置10～60s，所述金属离子溶液喷淋的步骤结束后需静置10～60s；所述洗涤的步骤具体为依次用水和乙醇洗涤，重复3次；所述进行多次棉织物表面改性的次数为5～10次；

所述将金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物浸入低表面能化合物溶液中反应的步骤中，反应温度为25～40℃，反应时间为2～12h，反应过程中采用磁力搅拌，搅拌转速为100～500rpm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的植物基吸油枕，采用疏水改性棉织物作为枕壳，植物纤维为枕芯。疏水改性棉织物具有疏水亲油的特点，接触水油混合物时油可以迅速通过疏水改性棉织物，而水会被阻隔在外。植物纤维可利用纤维间隙和管腔的毛细作用对油进行吸附，从而可快速吸附通过疏水改性棉织物的油，并且，通过枕壳的包裹作用，可避免作为枕芯的植物纤维吸油后松散和漏油。所述吸油枕具有以下优点：吸油速度快，吸油倍率高，油水选择性强，在吸油过程中不吸水；浮力好，能有效吸附水面浮油；便于运输、投放和回收；可以通过挤压的方式对所吸附的油品进行回收；能够多次重复循环利用；可生物降解；制备方法简单，原料来源广泛，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的木棉纤维放大5000倍的SEM照片。

图2为本发明实施例1提供的疏水改性棉布表面去离子水静态接触角测试图。

图3为本发明实施例1提供的疏水改性前后的棉布在水中的状态图，其中，棉布A为未改性棉布，棉布B为疏水改性棉布。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供了一种植物基吸油枕，包括枕壳和由所述枕壳包裹的枕芯，所述枕壳的材料为疏水改性棉织物，所述枕芯的材料为植物纤维。

植物纤维可利用纤维间隙和管腔的毛细作用对油进行吸附，但很难有效地保留油脂，吸附油非常容易从植物纤维中逸出。直接在水面投放植物纤维进行浮油清理，一方面植物纤维在水面扩散，打捞困难，另一方面载油纤维在打捞时漏油非常严重。本发明用植物纤维作为枕芯，在外面包裹一层疏水改性棉织物，可避免木棉纤维吸油后松散和漏油。

传统的棉织物本身具有较强的吸水性，可同时吸收水和油，分离选择性和效率极低，不适合直接用于水油分离材料。因此本发明对棉织物进行疏水改性，赋予其疏水亲油的特性。接触水油混合物时油可以迅速通过疏水改性棉织物，被植物纤维吸收，而水会被阻隔在外。

本发明实施例中，所述植物纤维为木棉纤维。木棉纤维密度低、浮力好、中空性大、疏水性好，具有良好的吸油能力，并且原料易得，可生物降解。木棉纤维放大5000倍的SEM照片如图1所示，从图中可见木棉纤维管腔中空性大，吸油能力好。

本发明实施例中，所述疏水改性棉织物为利用低表面能化合物、金属离子和植物多酚改性的棉织物。

基于植物多酚改性的方法，可将低表面能化合物键合到棉织物的表面，从而使棉织物具有疏水特性。

植物多酚中含有丰富的的邻苯三酚，可通过氢键、疏水键或共价键与各种基材作用，因此可和棉织物作用在棉织物的表面形成稳定的包覆层。进一步的，植物多酚可作为多基配体与金属离子发生络合反应，其两个相邻的酚羟基能以氧负离子的形式与金属离子形成稳定的环状螯合物，邻苯三酚结构中的第三个酚羟基虽然没有参与络合反应，但是可以促进另外两个酚羟基的离解，从而使得络合物的形成更加稳定。多酚-金属包覆层沉积于纤维表面可构成超疏水表面所需的粗糙结构，同时多酚-金属包覆层中含有丰富的儿茶酚基团，这些基团很容易在碱性条件下被氧化成醌式结构，从而与含有硫醇(SH)、氨基(NH₂)或亚氨基(NH)的有机分子发生迈克尔加成或席夫碱反应，将有机分子牢固地结合在棉织物表面。

本发明实施例中，所述植物多酚为单宁酸。单宁酸，又称为鞣酸，丹宁酸，单宁，没食子鞣酸，鞣质，落叶松栲胶，二倍酸。分子式为C₇₆H₅₂O₄₆；分子量为1701.22；水溶性为250g/L(20℃)。

本发明实施例中，所述金属离子选自铜离子、铁离子、银离子、锌离子、镁离子、铝离子和钙离子中的一种，优选铜离子。

本发明实施例中，所述低表面能化合物为脂肪族伯胺，所述脂肪族伯胺的碳链长度为12～18。所述脂肪族伯胺具体选自十二胺、十四胺、十六胺和十八胺中的一种，优选十八胺。长链脂肪族伯胺为低表面能化合物，并且含有氨基(NH₂)，可与多酚-金属包覆层中的醌式结构发生反应。

本发明对棉织物不进行限制，平纹棉布或斜纹棉布均可。

本发明还提供了一种植物基吸油枕的制备方法，包括以下步骤：

将疏水改性棉织物缝制成枕壳，装入植物纤维，封口形成植物基吸油枕。

其中，所述疏水改性棉织物由以下步骤制得：

依次用植物多酚溶液和金属离子溶液对棉织物进行喷淋，再洗涤和烘干，完成一次棉织物表面改性；

进行多次棉织物表面改性，获得金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物；

将金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物浸入低表面能化合物溶液中反应，之后取出棉织物烘干，获得疏水改性棉织物。

本发明的实施例中，首先制备金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物，具体包括：将棉织物洗净烘干垂直悬挂。配制植物多酚水溶液，并用氢氧化钠调控其pH值介于5～9之间；配制金属离子水溶液。先用植物多酚水溶液对垂直悬挂的棉织物正反两面分别进行均匀喷淋，静置10～60S，再用金属离子水溶液对棉织物正反两面分别进行均匀喷淋，静置10S～60S，然后取下棉织物，依次用去离子水和无水乙醇洗涤3次，烘干，完成一次棉织物表面改性。重复交替喷淋、洗涤、烘干的棉织物表面改性操作5～10次，得到金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物。

其中，所述植物多酚水溶液优选为单宁酸水溶液，浓度范围为3.4～10.2mg/mL。金属离子水溶液为金属盐溶液，具体选自硫酸铜、氯化铁、硝酸银、醋酸锌、硫酸镁、氯化铝和氯化钙中的一种，优选硫酸铜。硫酸铜水溶液的浓度范围为2.0～10.0mg/mL。本发明中使用的水均为去离子水。

本发明实施例在获得金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物后，将改性的棉织物浸入低表面能化合物溶液中，用三乙胺调节该溶液pH值为8.5，在25～40℃条件下，搅拌反应2h～12h，取出反应后的棉织物，真空烘箱80℃下烘干，得到疏水改性棉织物。

其中，低表面能化合物溶液的浓度范围为2.0mg/mL～10.0mg/mL，金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物与低表面能化合物溶液的质量比约为1:25。所述低表面能化合物溶液的溶剂选自乙醇、甲醇和氯仿中的一种，优选乙醇。

本发明提供的所述植物基吸油枕的制备方法与前述植物基吸油枕是基于同一发明构思的，采用所述制备方法得到的植物基吸油枕具有前述植物基吸油枕的性能和效果，所述制备方法中低表面能化合物等的选择和前述植物基吸油枕中相同，在此不再赘述。

本发明提供的植物基吸油枕，用疏水改性棉织物作为枕壳包裹用木棉纤维做的枕芯，具有以下优点：吸油速度快；吸油倍率高；油水选择性强，在吸油过程中不吸水；浮力好，能有效吸附水面浮油；便于运输、投放和回收；可以通过挤压的方式对所吸附的油品进行回收；能够多次重复循环利用；可生物降解；制备方法简单，原料来源广泛，成本低。

为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本发明提供的一种植物基吸油枕及其制备方法进行详细地说明。

实施例1

剪一块清洗干净的棉布(5cm×5cm)，用浓度为3.4mg/mL的单宁酸水溶液(pH值为7.0)喷淋正反两面，静置20S；再用浓度为5mg/mL的硫酸铜水溶液依次喷淋棉布正反两面，静置60S；将棉布用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，烘干。再重复喷淋、洗涤、烘干步骤5次，得到铜离子络合物-单宁酸改性的棉布。

将所制备铜离子络合物-单宁酸改性的棉布浸入20mL含有十八胺(浓度为4.0mg/mL)的乙醇溶液中，用三乙胺调节该混合溶液pH值为8.5，在25℃条件下，磁力搅拌反应8h(100～500rpm/min)，取出反应后的棉布，真空烘箱80℃下烘干，得到疏水改性棉布。实测室温(25℃)下去离子水与该疏水改性棉布表面的静态接触角为126°，测试照片如图2所示。

将疏水改性棉布和未改性棉布均置于水中，状态图如图3所示。其中，吸水下沉的棉布A为未改性棉布，漂浮于水面上的棉布B为疏水改性棉布。

将两片5cm×5cm的疏水改性棉布缝制成枕壳，内部填充0.5g木棉纤维，制成吸油枕。分别称取30g油和200g水混合，配制油水混合液，将吸油枕投放到油水混合液中进行吸油测试。吸油枕浮在水面，10min即可吸附大部分油，30min基本达到吸油平衡。取出吸油枕，测试吸附油的质量，计算30min吸油倍率。采用挤压法把吸油枕中所吸附的油尽力挤出，进行回收，将吸油枕再次投到油水混合液中进行二次吸油实验。重复吸附-挤压五次，计算每次吸油枕吸附油的吸油倍率和油回收率，列于表1和表2。

吸油性能测试所用油为机油和食用调和油两种。

实施例2

剪一块清洗干净的棉布(5cm×5cm)，用浓度为10.2mg/mL的单宁酸水溶液(pH值为9.0)喷淋正反两面，静置20S；再用浓度为10mg/mL的硫酸铜水溶液依次喷淋棉布正反两面，静置20S；将棉布用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，烘干。再重复喷淋、洗涤、烘干步骤10次，得到铜离子络合物-单宁酸改性的棉布。

将所制备铜离子络合物-单宁酸改性的棉布浸入20mL含有十八胺(8.0mg/mL)的乙醇溶液中，用三乙胺调节该混合溶液pH值为8.5，在30℃条件下，磁力搅拌反应4h(100～500rpm/min)，取出反应后的棉布，真空烘箱80℃下烘干，得到疏水改性棉布。实测室温(25℃)下去离子水与该疏水改性棉布表面的静态接触角为133°。

将两片5cm×5cm的疏水改性棉布缝制成枕壳，内部填充0.5g木棉纤维，投放于30g油与200g水的混合液中进行吸油测试，吸油测试方法同实例1。测试结果见表1和表2。

实施例3

剪一块清洗干净的棉布(5cm×5cm)，用浓度为6.8mg/mL的单宁酸水溶液(pH值为8.0)喷淋正反两面，静置40S；再用浓度为7.5mg/mL的硫酸铜水溶液依次喷淋棉布正反两面，静置40S；将棉布用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，烘干。再重复喷淋、洗涤、烘干步骤8次，得到铜离子络合物-单宁酸改性的棉布。

将所制备铜离子络合物-单宁酸改性的棉布浸入20mL含有十八胺(浓度为4.0mg/mL)的乙醇溶液中，用三乙胺调节该混合溶液pH值为8.5，在40℃条件下，磁力搅拌反应6h(100～500rpm/min)，取出反应后的棉布，真空烘箱80℃下烘干，得到疏水改性棉布。实测室温(25℃)下去离子水与该疏水改性棉布表面的静态接触角为129°。

将两片5cm×5cm的疏水改性棉布缝制成枕壳，内部填充0.5g木棉纤维，投放于30g油与200g水的混合液中进行吸油测试。吸油测试方法同实例1。测试结果见表1和表2。

表1植物基吸油枕吸附机油吸油倍率

备注：吸油倍率(g/g)＝吸油质量/木棉枕芯质量；

油回收率(％)＝(挤出油质量/吸油质量)×100％

表2植物基吸油枕吸附食用调和油的吸油倍率

备注：吸油倍率＝吸油质量/木棉枕芯质量

油回收率(％)＝(挤出油质量/吸油质量)×100％

由以上实施例可知，本发明采用低表面能化合物、金属离子和植物多酚，成功对棉织物进行疏水改性。用疏水改性棉织物作为枕壳包裹用木棉纤维做的枕芯，制备的植物基吸油枕，吸油速度快、吸油倍率高、油水选择性强，在吸油过程中不吸水；浮力好，能有效吸附水面浮油；可以通过挤压的方式对所吸附的油品进行回收，能够多次重复循环利用；可生物降解；制备方法简单，原料来源广泛，成本低。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种植物基吸油枕，其特征在于，包括枕壳和由所述枕壳包裹的枕芯，所述枕壳的材料为疏水改性棉织物，所述枕芯的材料为植物纤维。

2.根据权利要求1所述的植物基吸油枕，其特征在于，所述植物纤维为木棉纤维。

3.根据权利要求1所述的植物基吸油枕，其特征在于，所述疏水改性棉织物为利用低表面能化合物、金属离子和植物多酚改性的棉织物。

4.根据权利要求3所述的植物基吸油枕，其特征在于，所述植物多酚为单宁酸；所述金属离子选自铜离子、铁离子、银离子、锌离子、镁离子、铝离子和钙离子中的一种；所述低表面能化合物为脂肪族伯胺，所述脂肪族伯胺的碳链长度为12～18。

5.根据权利要求4所述的植物基吸油枕，其特征在于，所述金属离子为铜离子，所述脂肪族伯胺为十八胺。

6.一种植物基吸油枕的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将疏水改性棉织物缝制成枕壳，装入植物纤维，封口形成植物基吸油枕。

7.根据权利要求6所述的植物基吸油枕的制备方法，其特征在于，所述疏水改性棉织物由以下步骤制得：

依次用植物多酚溶液和金属离子溶液对棉织物进行喷淋，再洗涤和烘干，完成一次棉织物表面改性；

进行多次棉织物表面改性，获得金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物；

将金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物浸入低表面能化合物溶液中反应，之后取出棉织物烘干，获得疏水改性棉织物。

8.根据权利要求7所述的植物基吸油枕的制备方法，其特征在于，所述植物多酚溶液的溶剂为水，所述金属离子溶液的溶剂为水，所述低表面能化合物溶液的溶剂选自乙醇、甲醇和氯仿中的一种。

9.根据权利要求7所述的植物基吸油枕的制备方法，其特征在于，所述植物多酚溶液的pH值为5～9，浓度为3.4～10.2mg/mL；所述金属离子溶液的浓度为2.5～10.0mg/mL；

所述低表面能化合物溶液的pH值为8.5，浓度范围为2.0～10.0mg/mL；所述金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物与低表面能化合物溶液的质量比为1:25。

10.根据权利要求7所述的植物基吸油枕的制备方法，其特征在于，所述植物多酚溶液喷淋的步骤结束后需静置10～60s，所述金属离子溶液喷淋的步骤结束后需静置10～60s；所述洗涤的步骤具体为依次用水和乙醇洗涤，重复3次；所述进行多次棉织物表面改性的次数为5～10次；

所述将金属离子络合物-植物多酚改性的棉织物浸入低表面能化合物溶液中反应的步骤中，反应温度为25～40℃，反应时间为2～12h，反应过程中需搅拌，搅拌转速为100～500rpm。