水体突发有机物污染应急吸附材料筛选_汪冲.pdf
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1、针对水体突发有机物污染应急处置需求,开展了常见吸油材料的有机物吸附性能测试,评估其在水体突发有机污染中的应用潜力。采用重量法测试了吸油棉、聚氨酯泡沫、颗粒树脂、岩棉板和吸油毡等 5大类 12种吸油材料的饱和吸附时间、饱和吸附倍率和保油率,以评价材料的吸油性、保油性以及疏水性,开展了高吸油材料对甲醇、乙醇、丙酮、甲苯、对二甲苯和正己烷的吸附性能和保油性能测试,并进行了循环利用实验。结果表明,白色吸油棉、聚氨酯泡沫和岩棉在 5 min内可吸油饱和,饱和吸油倍率在 10 g/g以上。其中吸油棉和岩棉对测试的有机物也有良好的吸附能力,饱和吸附倍率为 6.01410.62 g/g,饱和吸附时间不超过 5
2、 min,且保持率均在 90%以上。进行 10次循环使用后,吸油棉的吸油倍率仍可维持在 5.594 g/g;岩棉在进行 6次循环使用后,饱和吸油倍率将下降至 3.318 g/g。因此,除常用的吸油棉以外,岩棉板也可作为应急吸油材料的备选。本研究结果可为水体突发有机物污染应急处置中吸附材料的选择提供参考和依据。关键词 环境应急处置;吸附;突发有机物污染;饱和吸附倍率中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 1005-829X(2023)07-0152-08Screening of emergency adsorption materials for sudden organic pollut
3、ion in water bodiesWANG Chong1,CHEN Sili2,CHEN Ming2,XIA Yulin2,YANG Yuyin2,WANG Jinsong1(1.School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang 421001,China;2.South China Institute of Environmental Science,Ministry of Ecology and Environment,Guangzhou 510530,China)Abstract:Aiming at the d
4、emand of emergency disposal of sudden organic pollution in water bodies,we carried out the organic matter adsorption performance test of common oil absorbing materials,thus assessing their application potential.Gravimetric method was applied to test the saturated adsorption time,saturated adsorption
5、 rate and oil retention ratio of 12 kinds of oil-absorbing materials from 5 groups including oil absorbent cotton,polyurethane,granular resin,rock wool board and oil absorbent felt.And their oil absorption capacity,oil retention and hydrophobicity were evaluated accordingly.The adsorption and retent
6、ion properties of the selected materials for six common organic substances containing methanol,ethanol,acetone,toluene,p-xylene and n-hexane were tested,and a recycling test was carried out.The results showed that white oil absorbent cotton,polyurethane foam and rock wool could achieved saturation a
7、bsorbency of over 10 g/g in 5 min.The oil absorbent cotton and rock wool also had a considerable absorbency for the tested organic liquid of 6.014-10.62 g/g in 5 min,as well as a satisfactory retention ratio of over 90%.After 10 times of recycling,the saturation absorbency of oil absorbent cotton ma
8、intained 5.594 g/g.While rock wool could only stand 6 times of recycling,and the saturation absorbency decreased to 3.318 g/g.In conclusion,rock wool could act as an alternative choice in addition to the commonly used oil absorbent cotton.The current study can provide valuable reference for the sele
9、ction of adsorption materials in emergent organic pollution disposal.Key words:environmental emergency disposal;adsorption;emergent organic pollution;saturated adsorption rate基金项目 中央级公益性科研院所基本科研业务专项(PM-zx703-202204-165)开放科学(资源服务)标识码(OSID):153工业水处理 2023-07,43(7)汪冲,等:水体突发有机物污染应急吸附材料筛选近年来随着化工行业高速发展,有机化
10、合物在生产、使用和运输过程中泄漏事件频发,造成水环境污染和巨大经济损失1。根据生态环境部 2014年至2019年发布的公告统计,我国在这 5 a内共突发环境事件约1 900起,多与有机物泄漏有关;且在交通事故次生突发环境事件中,石油类和有机危化品泄漏的事件占 70%以上,因此,我国正处于环境应急事件高发期2。上述事件中泄漏的有机污染物大多具有毒性,对生态环境和饮用水安全都造成严重威胁3-4。水体突发有机污染往往具有发生时间和地点较为随机、流动性强、影响范围广、水体环境复杂因而干扰因素多等特性5-7,因此,理想的应急处置方法需满足成本低、操作技术要求低、处置效率高、通用性强以及不产生二次污染等要
11、求8-9。物理吸附法因操作简单、快速高效、成本相对低廉等优点,在水体突发有机物污染应急处置中被普遍采用10-12,吸附材料中尤以吸油棉和活性炭等应用最为广泛13。吸油棉吸收有机物速度快且能多次重复使用,但由于密度小而漂浮于水面上,对密度比水大的有机物吸附效果差14;活性炭吸附量大,但需要的接触时间长且较难回收重复利用15-17。除上述吸附材料外,部分建筑隔热材料、吸音材料等也因其多孔结构表现出对污染物的吸附潜力18,从中筛选适用于有机污染应急吸附的通用材料,有助于扩展可用的应急资源范围,更好地应对突发污染事件在空间上的不确定性。本研究从满足应急处置的要求出发,选择 5 大类常见材料(吸油棉、吸
12、油毡、聚氨酯泡沫、颗粒树脂、岩棉),根据组成、形状等差异分为 12个小类,进行吸附测试。通过吸收植物油和超纯水的实验,筛选出吸油性能和疏水性能均良好的材料,之后进一步对常见泄漏物质(无水乙醇、无水甲醇、丙酮、甲苯、对二甲苯、正己烷)进行吸附实验,以饱和吸附倍率和饱和吸附时间来评价材料的吸附性能,为水体突发有机物污染应急处置材料的选择提供参考。1 实验部分1.1材料及仪器本研究涉及的待测试吸油材料形态及尺寸见表1。待测试泄漏液体包括植物油、超纯水、无水乙醇、无水甲醇、丙酮、甲苯、对二甲苯、正己烷等,除植物油和超纯水外,其余液体有机试剂均为分析纯。使用的设备及耗材包括 0.2 mm金属线、250
13、mL玻璃试剂瓶、聚四氟乙烯带孔盖、天平、铁丝网、铁架台。上述材料为常用吸附材料,使用前对部分材料进行了裁剪处理。需说明的是聚氨酯A和聚氨酯B是从聚氨酯泡沫填缝剂罐中喷射出的聚氨酯泡沫,待泡沫静置固化后再裁剪成块状或片状的材料。1.2实验方法依照表1将部分待测试材料裁剪为规则的形状。用千分之一天平测定吸附材料的质量,记为 m0。饱和吸油倍率与饱和吸附时间的测定:在螺口玻璃试剂瓶中加入植物油约 80 mL,将其放置于天平上。将材料用金属丝固定,穿过盖子,固定于铁架台并悬空于瓶中液面上,记油和玻璃瓶总质量为M0,放下材料将其浸没于液体中并开始计时,每隔表 1待测试材料的形态与尺寸Table 1 Th
14、e shapes and sizes of the materials to be tested吸附材料吸油棉聚氨酯泡沫颗粒树脂岩棉PP-1吸油毡黄色压点吸油棉白色压点吸油棉白色不压点吸油棉聚氨酯 A聚氨酯 B聚氨酯 C聚氨酯 D聚乙烯(PE)树脂(PPS)聚丙烯(PP)形态薄片状厚片状蓬松厚片状无定形块状薄片状块状块状颗粒状颗粒状颗粒状方块状蓬松厚片状规格厚 0.2 cm,片状厚 0.4 cm,片状厚 0.5 cm,片状d=0.2 cmd=0.2 cmd=0.2 cm厚 0.4 cm,片状切割尺寸3 cm3 cm3 cm3 cm3 cm3 cm2 cm2 cm2 cm2 cm2 cm0.5
15、cm2 cm2 cm2 cm2 cm2 cm2 cm2 cm2 cm2 cm3 cm3 cm试验研究工业水处理 2023-07,43(7)15412 min将材料提起悬空静置,使材料表面的植物油滴落,至间隔 10 s无液滴形成或滴落则可记录油和玻璃瓶总质量(记为 Mn),重复上述过程至连续 3 个读数极差小于 0.1 g,则认为达到吸附饱和,以最后一次记录的质量计算材料的饱和吸油倍率 q,累计吸附时间记为饱和吸附时间。保油率的测定:达到吸油饱和后,将吸附后的材料继续悬挂,每隔 5 min 记录油和玻璃瓶的总质量,记为 Wn,至连续 3个读数极差小于 0.1 g,即认为材料持油量不再下降,材料达
16、到吸附-解吸平衡状态,以最后一次记录的总质量计算材料的保油率。对表 1 中列出的每一种材料,依照上述方法进行 3次平行实验。疏水性的判断:按照上述吸油实验的方法进行吸水实验,测试材料的饱和吸水倍率和饱和吸水时间,依据饱和吸水倍率判断材料的疏水性。材料对有机物吸附效果的测定:测试全部材料对植物油和超纯水的吸附效果后,筛选快速、吸油量大且疏水性较好的材料,进一步测试其对有机物的吸附效果,材料对 6 种有机物的吸附实验步骤与吸油实验步骤一致。材料的循环利用:测试完材料对有机物的吸附效果后,筛选吸附快速、吸附量大的材料,进行材料的循环利用实验。选择植物油作为循环利用实验的吸附质,将吸附植物油饱和后的材
17、料挤压,使原本吸附的植物油脱附,之后再次吸油至吸附饱和状态。吸附实验步骤与吸油实验步骤一致。重复上述实验过程,对材料进行多次循环利用实验。实验过程中,材料的饱和吸附倍率 q依照式(1)进行计算。q=(M0-Mn)/m0(1)材料的保油率依照式(2)进行计算。保油率=M0-Wnm0q100%(2)1.3统计分析由于重复实验的误差理论上符合正态分布,可使用方差分析检验不同材料或处理方式下饱和吸油量等指标是否存在显著性差异。方差分析使用 R语言中的基础包实现。对于不同材料间存在显著差异的情况,使用 agricolae 包进行 LSD 事后多重比较以识别有显著差异的组19。本研究中显著性水平均选取=0
18、.05。多重比较的结果采用通用的标注方式,有相同的字母即表示两组间均值不存在显著差异,反之则表示组间差异显著。2 结果与讨论2.1吸附材料吸油与吸水实验2.1.1吸附材料吸油性与保油性各材料对植物油的饱和吸附时间和饱和吸附倍率见图 1。由图 1 可知,除树脂颗粒在 30 min 内对植物油的吸附可忽略以外,其他材料对植物油均有明显吸收,其中饱和吸油倍率最大的是黄色吸油棉,其值可达 12.57 g/g,饱和吸油倍率最小的是聚氨酯 C 和聚氨酯 D,仅 0.588 2 g/g。吸油棉(黄色吸油棉、白色压点吸油棉和白色不压点吸油棉)、岩棉和吸油毡均可在 4 min 内达到吸附饱和,是吸油速度较快的材
19、料;聚氨酯 B 吸油速度次之,达到饱和需 612 min。此外,聚氨酯 B重复实验之间吸附速度差异大,可能是由于在喷射聚氨酯泡沫过程中,喷射出来的泡沫不均匀,导致泡沫固化后聚氨酯 B孔隙大小不一,且分布不均匀20。对于同种吸附材料,材料形态的不同可能造成吸附特性的差异,或影响其在实际事件中应用的便利性。图 1 中聚氨酯 A(块状)和聚氨酯 B(片状)是聚氨酯发泡固化后切割的不同形状,片状聚氨酯 B的饱和吸附时间明显少于块状的聚氨酯 A,而饱和吸附倍率差距不大。这可能是由于块状的聚氨酯较厚且内部孔隙小,吸油后内部传质速度慢,导致块状的聚氨酯泡沫吸附速度慢。因此,片状的聚氨酯泡沫更适合应用于应急处
20、置中。白色压点吸油棉与白图 1材料的饱和吸油倍率和饱和吸附时间Fig.1 The saturated oil absorption rates and the saturated adsorption time of the materials155工业水处理 2023-07,43(7)汪冲,等:水体突发有机物污染应急吸附材料筛选色不压点吸油棉是白色吸油棉的两种规格,其饱和吸附倍率和饱和吸附时间均没有太大的差异,但是压点吸油棉更加牢固,不易松散,因此在应急处置中更加稳定易用。由于吸附时间过长且吸附倍率小的材料不满足应急处置快速高效的要求,因此,综合饱和吸附倍率和饱和吸附时间,选择黄色吸油棉、白
21、色吸油棉(压点与不压点)、聚氨酯泡沫片(聚氨酯B)、岩棉、吸油毡等6种材料进行进一步分析。上述材料的保油性见图 2。实验中,6种材料均在悬挂15 min达到吸附-解吸平衡状态。由图2可知,在各时间点,黄色吸油棉的平均保油率均显著低于其他材料,平衡时其平均保油率为84.34%;除聚氨酯B在5 min时、白色不压点吸油棉在15 min时的平均保油率显著低于其他材料外,其他时间点,聚氨酯B、岩棉、白色压点吸油棉、白色不压点吸油棉和岩棉的保油率均没有显著差异,平衡时的平均保油率均在90%之上,具有良好的保油性。其中保油性最佳的为岩棉,平衡时其平均保油率可达 99.35%。在应急处置中,常用的吸附方法是
22、物理吸附,上述测试的材料对植物油等待测液体的吸附均为物理吸附,而物理吸附是一个可逆的过程,因此,保油性对于材料在吸附污染物后的回收过程具有影响,保油性差的材料在回收时吸附的污染物更容易脱附,导致污染物滴落而造成二次污染,实际吸附效果也大大降低。根据讨论,上述6种吸附材料悬挂15 min即达到吸附-脱附平衡状态,且聚氨酯 B、岩棉、白色吸油棉(压点/不压点)和吸油毡均有良好的保油性。2.1.2吸附材料疏水性材料的吸水性测试结果见图 3。由于针对的是水环境中的突发污染事件,材料的疏水性是必须要考虑的一点,吸水性较好的材料在水环境中吸附污染物时会大量吸水导致吸附有机物效果降低。由图 3 可知,除黄色
23、吸油棉的饱和吸水倍率高达 11.24 g/g 外,其他材料的饱和吸水倍率都小于 1.000 g/g,疏水性良好。黄色吸油棉的饱和吸油倍率为 12.565 g/g,与饱和吸水倍率接近,油水选择性差,不符合应急处置要求。根据上述结果分析,白色吸油棉(压点/不压点)、吸油毡、聚氨酯 B 以及岩棉这 5 种材料是快速高效且疏水性好的吸附材料。白色吸油棉和吸油毡均 是 由 聚 丙 烯 经 熔 喷 工 艺 制 成 的,吸 附 特 征 相似21-22;相较于不压点的吸油棉和吸油毡,压点的吸油棉在吸附后不易松散,更易于回收和避免二次污染。因此选择白色压点吸油棉、聚氨酯 B 和岩棉3 种材料进行进一步的有机物吸
24、附实验,分析其对不同有机物的吸附性能。2.2吸附材料对有机物的吸附性能2.2.1吸油棉对有机物的吸附性能分析白色压点吸油棉在饱和吸附时间内对有机物的吸附倍率如图 4所示,a、b、c分别对应 3次平行实验。由图4可知,白色压点吸油棉对6种有机物的吸附均可在4 min内达到饱和,饱和吸附时间短,吸附速度快。白色压点吸油棉对甲苯的吸附效果最好,最大饱和吸附倍率可达11.37 g/g,对乙醇的吸附效果最差,最大饱和吸附倍率为 7.241 g/g,且白色压点吸油棉对不溶于水的有机物的吸附效果均较对于溶于水的有机物吸附效果好,可能是由于白色压点吸油棉的疏水性和吸油性强,对于类油有机物的吸附效果会高于对其他
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