三元乙丙超細(xì)纖維氈的制備及其處理油類污染物的機(jī)理研究.pdf

1、世界每年約有500×104-1000×104 t油類通過(guò)各種途徑流入海洋、進(jìn)入各種水體，油污染僅次于無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷，排在第三位，是造成水環(huán)境污染和生態(tài)危害的主要因素之一。吸油材料因經(jīng)濟(jì)實(shí)用、便于推廣、迅速有效而獲得廣泛使用。將纖維材料的吸附特性與高吸油樹(shù)脂吸油量大的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)新型吸油材料是一個(gè)較好的研究方向。
　　 論文在分析吸油樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)特征、吸油機(jī)理和制備方法的基礎(chǔ)上，選擇三元乙丙聚合物(ethylen propyl

2、ene diene mischpolymere，EPDM)作為大分子單體，通過(guò)調(diào)整改變交聯(lián)結(jié)構(gòu)、孔洞結(jié)構(gòu)以及表面形態(tài)特征，采用新型靜電紡絲技術(shù)結(jié)合紫外輻射交聯(lián)技術(shù)制備出具有物理化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的亞微米級(jí)EPDM纖維氈。EPDM超細(xì)纖維氈應(yīng)用于油類(疏水性有機(jī)物)污染物的去除過(guò)程，解決了在相同的比表面積下，粒狀吸油樹(shù)脂粒徑過(guò)小，吸油后易溶成油泥，不易回收的難題；同時(shí)，也避免了粒狀吸油樹(shù)脂與纖維直接復(fù)合，因膠黏劑存在而造成整個(gè)材料表面積的損失。

3、而且由纖維氈非織布結(jié)構(gòu)的完整性，可根據(jù)需要加工制成各種形態(tài)的制品，大大拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。本論文主要研究EPDM超細(xì)纖維氈的制備工藝、纖維結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，探討吸油吸油機(jī)理，以及分析纖維氈吸油后再生特性等。論文主要工作如下：
　　 研究靜電紡絲理論。運(yùn)用標(biāo)度率分析方法，建立纖維直徑與紡絲液濃度、電壓、流量等主要參數(shù)之間的標(biāo)度率關(guān)系式，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：EPDM纖維氈制備過(guò)程中，紡絲液優(yōu)選的濃度范圍為3％～9％，通過(guò)擬合計(jì)算發(fā)現(xiàn)

4、，靜電紡EPDM纖維直徑和紡絲液濃度之間符合標(biāo)度率關(guān)系：d∝C1.91。適合的靜電紡的EPDM溶液粘度范圍為800cp～4000cp，纖維直徑與溶液的粘度符合標(biāo)度率關(guān)系：d∝η0.81。靜電紡絲所用的EPDM溶液的濃度(2％～12％)和粘度(461cp～6955cp)之間符合標(biāo)度率關(guān)系：η∝ C2.37。電紡EPDM纖維直徑和電壓之間接近線性關(guān)系：d∝V。當(dāng)流量由0.5mL/h增大到3mL/h，纖維直徑相應(yīng)的由370nm增大到900nm

5、，纖維直徑和流量之間符合標(biāo)度率關(guān)系：d∝ Q1/2。利用上述關(guān)系式可以確定靜電紡絲的生產(chǎn)工藝，并能預(yù)測(cè)納米纖維的直徑，為靜電紡絲的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)，具有一定的實(shí)際意義。
　　 采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，得到最佳制備工藝條件：溶液濃度為10 wt％，紡絲電壓為20 kV，紡絲流量為1mL/h，輻照時(shí)間96 h。所制得的纖維氈邵A硬度59，100％定伸應(yīng)力1.8MPa，30096定伸應(yīng)力6.5MPa，拉伸強(qiáng)度17.8MPa，斷裂伸

6、長(zhǎng)率452％，永久變形47％，撕裂強(qiáng)度33.1 kN/m。對(duì)應(yīng)地，吸油氈對(duì)三氯甲烷、環(huán)己烷、甲苯、煤油四種油品吸油率都達(dá)到最大，分別是：36.62g/g，26.8g/g，23.13g/g，22.15g/g。由于吸油氈在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到吸油平衡，因此吸油過(guò)程更符合動(dòng)力學(xué)一級(jí)方程式。對(duì)于四種不同類型的油品，吸油速率K(min-1)大小依次為：三氯甲烷(0.069)>環(huán)己烷(0.063)>甲苯(0.053)>煤油(0.044)。EPDM纖維氈的吸

7、油速率大于溶液聚合法制備的塊狀樹(shù)脂，也比懸浮聚合法制備的顆粒狀吸油樹(shù)脂優(yōu)越，這是因?yàn)閬單⒚准?jí)纖維組成的氈狀吸附材料擁有巨大的比表面積的緣故，達(dá)到了本論文最初的設(shè)想，具有一定的原創(chuàng)性。
　　 原子力顯微鏡和掃描電鏡顯示，吸油氈表面粗糙，坑洼，具有大量空穴結(jié)構(gòu)，比表面積大，這是良好吸收性能的關(guān)鍵。接觸角浸潤(rùn)實(shí)驗(yàn)表明EPDM靜電紡纖維氈的比表面積大，表面粗糙程度遠(yuǎn)大于流延膜。且具有良好的拒水親油性能。對(duì)三元乙丙纖維氈紅外分析和動(dòng)態(tài)力學(xué)

8、分析表明，紫外輻射交聯(lián)有助與三元乙丙側(cè)鏈中的不飽和雙鍵打開(kāi)，形成自交聯(lián)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。輻射后的三元乙丙纖維氈儲(chǔ)能模量G'和損耗模量G"基本處于平行狀態(tài)，證實(shí)了吸油氈內(nèi)部物理化學(xué)交聯(lián)的結(jié)構(gòu)。這是一種既有一定鋼架、又易于伸展的松散三維分子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高了吸油氈自身的力學(xué)性能，解決了其吸油后癱軟成泥狀的問(wèn)題。
　　 吸油氈靜態(tài)吸附熱力學(xué)研究。研究表明，在283～313K溫度范圍內(nèi)，吸油氈對(duì)環(huán)己烷的吸附平衡數(shù)據(jù)更符合Langmuir-1等溫

9、線方程，在Freundlich模型的擬合結(jié)果中，所有方程的指數(shù)n>1，是優(yōu)惠吸附，吸附是容易進(jìn)行的。焓△H<0，表明吸附過(guò)程是放熱的，且吸附焓值在40kJ/mol～50kJ/mol之間，可以認(rèn)為發(fā)生了一種以物理吸附為主的、兼有弱的化學(xué)吸附過(guò)程。而且較低的△H值可以表明，該纖維氈容易脫附再生。自由能(△G)為負(fù)值，說(shuō)明吸油過(guò)程為自發(fā)的不可逆過(guò)程。同時(shí)隨著溫度的升高，自由能的絕對(duì)值減小，說(shuō)明溫度的升高不利于吸油。熵(△S)為負(fù)值，說(shuō)明體系的

10、混亂度變小。同時(shí)隨著溫度的升高，熵的絕對(duì)值減小，說(shuō)明溫度的升高，不利于吸油。
　　 應(yīng)用吸油氈處理環(huán)境激素苯乙烯模擬廢水。首先，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的吸油氈對(duì)苯乙烯吸附能力較強(qiáng)，且具有較好的油水選擇性。吸附效率隨吸附時(shí)間和苯乙烯濃度的增大而升高，隨進(jìn)水流速的變大是先增大后減小。其次，簡(jiǎn)單的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能很好地描述苯乙烯的吸附過(guò)程，相關(guān)系數(shù)R2為0.998。最后，采用乙醇置換再生吸油氈，實(shí)驗(yàn)表明，乙醇置換法是一種方便、快捷、較為有