摘要
以羽毛纤维为原料制备吸油纸,利用扫描电镜探究3种羽毛纤维(大毛片、小毛片和朵绒)形貌和纤维微观结构对其吸附性能的影响,并将其与木浆纤维、热黏纤维进行对比分析。结果表明,羽毛纤维对油类物质有很强的吸附性,亲油疏水特性明显;酸处理对羽毛纤维吸油性能有影响,当硫酸浓度为2%时,羽毛纤维吸油效果好。随着羽毛纤维含量的增加,所制备吸油纸的吸油倍率先上升后下降、吸油速率上升、保油率下降,当羽毛纤维含量为70%时,所制备的吸油纸吸油倍率为25.0 g/g,吸油纸重复使用6次后,其吸油倍率为首次使用时的50%。
随着现代工业的快速发展和人类生活水平的提高,石油及油类产品的使用量愈来愈多,在这些产品开采、生产、运输和使用过程中,各种规模的溢油事件频发,含油废水造成的河流、海洋等水资源污染问题也越来越严
吸油机理是提高吸油材料性能的重要理论依据,同时也是促进吸油材料发展的主要驱动
我国是世界三大白羽肉鸡生产国之一,白羽鸡产业在我国畜禽养殖业中规模化养殖程度最高。规模化家禽养殖业的发展产生了大量的羽毛废弃
本研究采用的羽毛来自白羽鸡,以其中的正羽(大毛片和小毛片)和朵绒为主要研究对象。制备吸油纸所用的羽毛纤维由山东金晓阳生物科技股份有限公司提供;所用热黏纤维是低熔点双组分聚丙烯/聚乙烯复合纤维,由江苏中石纤维股份有限公司提供;所用木浆纤维是漂白桉木化学浆(巴西产);采用油品是机油(Mobil SAE 20W-40)和植物油(金龙鱼,精炼一级大豆油);浓硫酸购自天津市江天化工技术有限公司;苏丹Ⅲ购自沈阳市试剂三厂。
将羽毛纤维和热黏纤维等材料按一定的比例均匀混合后,置于特制模具中,将模具在155℃下加热处理10 min,即得吸油纸,吸油纸的定量为400 g/
纤维吸附倍率(Q1)的测定:向烧杯内倒入一定量的待测液体,然后将质量M1的纤维样品置于200目铜网上并浸入待测液体中,1 h后将达到吸附平衡的纤维取出,在铜网上淌滴3 min后,测定其质量M2,按
(1) |
式中,Q1为纤维的吸附倍率,%;M1为吸附前纤维样品的质量,g;M2为吸附后纤维样品的质量,g。
吸油纸吸附倍率(Q2)的测定:裁取体积为12 cm × 12 cm × 4 cm(长×宽×高)吸油纸样品,质量为M3,用细金属丝绑定吸油纸样品,称取吸油纸样品和金属丝总质量(M4)后,浸没于盛放待测液体的烧杯中,1 h后取出,在铜网上滴淌3 min后,测定吸附后吸油纸和金属丝的总质量(M5);按
(2) |
式中,Q2为吸油纸的吸附倍率,%;M3为吸附前吸油纸样品的质量,g;M4为吸附前吸油纸样品和金属丝的总质量,g;M5为吸附后吸油纸样品和金属丝的总质量,g。
在500 mL烧杯中倒入300 mL自来水,然后再倒入30 mL植物油,静置至两液相明显分层后,将质量为2 g的吸油纸样品放入烧杯中,开始计时,待上层油相完全被吸收时停止计时。所测时间即为吸油纸的吸油速率,测量5次取平均值。
称取质量为M6的吸油纸样品放入植物油中,待样品吸附饱和后将样品置于铜网上,从3 min开始计时,每隔一定时间称取吸油纸样品质量M7,并计算此时的吸油倍率Q3,直至样品质量变化趋于稳定为止。按
(3) |
式中,W为吸油纸的保油率,%。
白羽鸡的全身羽毛均为白色,羽毛按其形貌可分为大毛片、小毛片和朵绒。羽毛纤维是由从大毛片、小毛片上剥离得到的含羽枝、羽小枝的羽枝纤维以及从小毛片、朵绒上分离得到的含绒枝、绒小枝的绒枝纤维组
大毛片、小毛片和朵绒的形貌和结构如

图1 白羽鸡羽毛种类及其不同部位的光学显微镜照片
Fig. 1 Structure of feathers from white-feather chicken and opitcal microphotographs of different positions. (a) Large feather; (b) small feather; (c) velvet; (d) barb; (e) down-branch
利用SEM对羽枝纤维的表面和横截面的形貌进行观察,结果如

图2 羽枝纤维SEM图
Fig. 2 SEM images of barb fiber. (a) Surface of barb; (b) surface of twig; (c) cross-section of barb; (d) magnification of cross section of barb
从
利用SEM分别对来自小毛片和朵绒的绒枝纤维的表面和横截面进行观察,结果如

图3 绒枝纤维SEM图
Fig. 3 SEM images of down-branch fiber. Down-branch of small feather (a) and velvet (b); surfaces of small down-branch of small feather (c) and velvet (d); cross sections of down-branch of small feather (e) and velvet (f)
分别观察小毛片的绒枝和朵绒的绒枝(见
分别测定完整的单根大毛片、小毛片、朵绒对机油、植物油和水的吸附倍率,结果如

图4 3种羽毛对不同液体吸附倍率的对比
Fig. 4 Absorbency ratio comparison of 3 different feathers towards different liquids
由
3种羽毛中,对机油、植物油和水的吸附倍率,朵绒均为最高,大毛片最低,小毛片介于二者之间。3种羽毛吸附植物油达到吸附平衡后的照片,如

图5 3种羽毛吸附植物油达到平衡后的照片
Fig. 5 Pictures of 3 kinds of feathers after adsorbing vegetable oil and reaching balance. (a) Large feather; (b) small feather; (c) velvet
分别测定羽枝纤维、绒枝纤维、木浆纤维和热黏纤维对机油、植物油和水的吸附倍率,结果如

图6 不同纤维对不同液体吸附倍率的对比
Fig. 6 Absorbency ratio comparison of different fibers towards different liquids
由
木浆纤维主要成分是纤维素,含有大量的亲水性羟
研究表
利用不同浓度硫酸处理羽毛纤维,经洗涤和自然风干后,测定羽毛纤维对机油、植物油和水的吸附倍率,结果如

图7 稀硫酸浓度对羽毛纤维吸附倍率的影响
Fig. 7 Effect of concentration of dilute sulfuric acid on absorbency ratio of feather fiber
由于羽毛纤维本身亲水性低,且其与纤维间的结合性差,实验将热黏纤维和羽毛纤维混合后,采用干法抄造方法制备了羽毛纤维基吸油纸。为了评价该吸油纸的性能,以植物油为测试用油,探讨羽毛纤维含量对吸油纸吸油倍率、吸油速率、保油率和重复使用性能的影响。
羽毛纤维含量对吸油纸吸油倍率的影响如

图8 羽毛纤维含量对吸油纸吸油倍率的影响
Fig. 8 Effect of feather fiber content on oil absorbency ratio of oil-absorbing paper
从
吸油速率用于衡量吸油纸对油吸附的快慢程度。羽毛纤维含量对吸油纸吸油速率的影响如

图9 羽毛纤维含量对吸油纸吸油速率的影响
Fig. 9 Effect of feather fiber content on oil absorbency rate of oil-absorbing paper
由
保油率用于衡量吸油纸对所吸附油液的保持性能。羽毛纤维含量对吸油纸保油率(吸附饱和后20 min内)的影响如

图10 羽毛纤维含量对吸油纸保油率的影响
Fig. 10 Effect of feather fiber content on oil retention rate of oil-absorbing paper
从
吸油纸的重复使用性能与其使用成本和环保性能密切相关。可通过重复的吸附/脱附实验研究其耐用性,吸油纸重复使用次数对其吸油倍率的影响如

图11 吸油纸(羽毛纤维含量为70%)重复使用次数对吸油倍率的影响
Fig. 11 Effect of numbers of use of oil-absorbing paper on oil absorbency ratio (feather fiber content of 70%)
由
吸油纸的强度是其应用的前提,吸油纸的重复使用会对其结构产生较大影响,吸油纸吸油前后外观图如

图12 吸油纸(羽毛纤维含量为70%)吸油前后对比图
Fig. 12 Comparison charts of oil-absorbing paper (feather fiber content of 70%) before and after oil absorption. (a) Unused oil-absorbing paper; (b) after the first-round absorbing; (c) before the sixth-round absorbing; (d) after the sixth-round absorbing
由
以羽毛纤维为原料制备吸油纸,利用扫描电镜探究3种羽毛纤维(大毛片、小毛片和朵绒)形貌和纤维微观结构对其吸油、吸水性能的影响,并将其与木浆纤维、热黏纤维进行对比分析;探讨羽毛纤维含量对吸油纸吸油倍率、吸油速率、保油率和重复使用性能的影响,主要结论如下。
3.1 羽毛纤维表面存在大量褶皱,褶皱有一定的深度和长度,增大了羽毛纤维的比表面积;羽毛纤维内部有许多不规则空腔,有利于毛细管作用,使其适于制备吸油纸。
3.2 羽毛纤维具有优良的吸油性能。不同部位羽毛吸附性能的强弱次序为:朵绒>小毛片>大毛片;不同种类纤维吸油性能的强弱次序为:羽毛纤维>热黏纤维>木浆纤维;不同种类纤维吸水性能的强弱次序为:木浆纤维>羽毛纤维>热黏纤维。
3.3 经稀硫酸处理后,羽毛纤维基吸油纸的吸油倍率提高;当硫酸浓度为2%时,其吸油效果最好。
3.4 以羽毛纤维和热黏纤维为原料、采用干法抄造制备吸油纸时,羽毛纤维和热黏纤维的比例对吸油纸的吸油性能有较大影响。当羽毛纤维含量为70%时,所制备的吸油纸吸油倍率为25.0 g/g,吸油纸保油率高,吸油纸重复使用6次后,吸油倍率仍为12.5 g/g,为初始值的50%,说明本研究制备的吸油纸重复使用性能良好。
参考文献
陈 燕. 突发性海洋溢油污染事件应急处理研究[J]. 环境科学与管理, 2014, 39(6): 27-30. [百度学术]
CHEN Y. The sudden oil spill pollution incidents of emergency treatment[J]. Environmental Science and Management, 2014, 39(6): 27-30. [百度学术]
历 军, 汤 翊, 黄岁樑, 等. 生物质对水体油污染吸附处理的研究进展[J]. 环境污染与防治, 2014, 36(10): 79-87. [百度学术]
LI J, TANG Y, HUANG S L, et al. The research progress on adsorption processing of water oil pollution by biomass[J]. Environmental Pollution and Prevention, 2014, 36(10): 79-87. [百度学术]
Nishida O, Matsumoto S, Iteya M. Low cost, low pollution and low viscosity fuel oil using heavy oil: US, US20020011022[P]. 2002-01-31. [百度学术]
刘嘉佩, 王习文, 李仁坤. 纤维型吸油材料的制备及其吸油性能的研究[J]. 中国造纸, 2017, 36(7): 31-35. [百度学术]
LIU J P, WANG X W, LI R K. Preparation of fiber-type oil-absor⁃bing material and research on its oil-absorbing performance[J]. China Pulp & Paper, 2017, 36(7): 31-35. [百度学术]
刘生鹏, 高 秋, 胡仙林, 等. 吸油材料的研究进展[J]. 武汉工程大学学报, 2013, 35(12): 27-34. [百度学术]
LIU S P, GAO Q, HU X L, et al. Progress of oil absorbing materials[J]. Journal of Wuhan University of Engineering, 2013, 35(12): 27-34. [百度学术]
王舒生, 王 坤, 庞永艳, 等. 聚丙烯/线型低密度聚乙烯开孔泡沫的制备及吸油性能[J]. 高分子材料科学与工程, 2016, 32(12): 133-138. [百度学术]
WANG S S, WANG K, PANG Y Y, et al. Polypropylene/linear low density polyethylene foam preparation and absorption properties[J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2016, 32(12): 133-138. [百度学术]
李彦敏, 刘晓宁, 徐炎华, 等. 新型疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫的制备及其吸油性能[J]. 高校化学工程学报, 2014(4): 837-843. [百度学术]
LI Y M, LIU X N, XU Y H, et al. Preparation of a novel hydrophobic polyurethane foam and its oil adsorption properties[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2014(4): 837-843. [百度学术]
杜卫宁, 韩晓娜, 李正军, 等. 天然有机纤维吸油材料的结构特点及其功能化改性技术的研究进展[J]. 功能材料, 2015, 46(18): 18016-18022. [百度学术]
DU W N, HAN X N, LI Z J, et al. The structure characteristics of natural organic fiber absorbent materials and the research progress of functional[J]. Functional Materials, 2015, 46(18): 18016-18022. [百度学术]
Wahi R, Chuah L A, Choong T S Y, et al. Oil removal from aqueous state by natural fibrous sorbent: An overview[J]. Separation & Purification Technology, 2013, 113: 51-63. [百度学术]
Radetic M, Ilic V, Radojevic D, et al. Efficiency of recycled wool-based nonwoven material for the removal of oils from water[J]. Chemosphere, 2008, 70(3): 525-530. [百度学术]
王文华, 王 静, 寇希元, 等. 纳米聚丙烯纤维吸油特性及对水面浮油的吸附研究[J]. 海洋技术, 2013, 32(2): 106-109. [百度学术]
WANG W H, WANG J, KOU X Y, et al. Research on the Oil Absorption Properties of Nano-Polypropylene Fibers and the Absorption of Oil Slick on Water[J]. Marine Technology, 2013, 32(2): 106-109. [百度学术]
柴文波. 纤维基复合吸油材料的制备及其吸油机理研究[D]. 上海: 上海大学, 2016. [百度学术]
CHAI W B. Preparation of fiber-based composite oil-absorbing material and its oil-absorbing mechanism[D]. Shanghai: Shanghai University, 2016. [百度学术]
Rengasamy R S, Das D, Karan C P. Study of oil sorption behavior of filled and structured fiber assemblies made from polypropylene, kapok and milkweed fibers[J]. Journal of Hazardous Materials, 2011, 186(1): 526-532. [百度学术]
刘晓晖, 曹亚峰, 李 沅, 等. 玉米秸秆基吸油材料的制备与表征[J]. 林产化学与工业, 2016, 36(5): 37-44. [百度学术]
LIU X H, CAO Y F, LI Y, et al. Preparation and characterization of oil absorbent material derived from corn stalk[J]. Forest Yield Chemistry and Industry, 2016, 36(5): 37-44. [百度学术]
陈庆国, 刘 梅, 杨 丹, 等. 改性稻草秸秆对低浓度含油污水的吸附去除研究[J]. 环境科学与技术, 2015(6): 156-160. [百度学术]
CHEN Q G, LIU M, YANG D, et al. Study on adsorption treatment of low concentration oil waste water by modified straw stalk[J]. Environmental Science and Technology, 2015(6): 156-160. [百度学术]
王泽甲, 刘军凯, 张小博, 等. 改性天然生物质材料的吸油性能[J]. 环境工程学报, 2016, 10(7): 3677-3681. [百度学术]
WANG Z J, LIU J K, ZHANG X B, et al. The absorption properties of modified natural biomass materials[J]. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control, 2016, 10(7): 3677-3681. [百度学术]
江茂生, 黄 彪, 蔡向阳, 等. 红麻杆高吸油材料吸油特性的研究[J]. 中国麻业科学, 2007, 29(6): 344-348. [百度学术]
JIANG M S, HUANG B, CAI X Y, et al. Study on the oil absorption characteristics of kenaf rod high oil absorption material[J]. China Linen Science, 2007, 29(6): 344-348. [百度学术]
Tang M, Zhang R, Pu Y. Wheat straw modified with palmitic acid as an efficient oil spill adsorbent[J]. Fibers & Polymers, 2018, 19(5): 949-955. [百度学术]
赵耀明, 杨崇岭, 蔡 婷, 等. 羽毛纤维的结构性能及应用[J]. 针织工业, 2007(2): 20-23. [百度学术]
ZHAO Y M, YANG C L, CAI T, et al. The structure, properties and application of feather fiber[J]. Knitting Industry, 2007(2): 20-23. [百度学术]
庄 媛, 周美华, 赵晓祥. 羽毛角蛋白的提取及其应用进展[J]. 环境科学与技术, 2013(3): 65-69. [百度学术]
ZHUANG Y, ZHOU M H, ZHAO X X. Progress of extraction and application of feather keratin[J]. Environmental Science & Techno⁃logy, 2013(3): 65-69. [百度学术]
郭肖青. 鸡毛在造纸业与纺织纤维产品中的应用[J]. 国外纺织技术, 2002(6): 11-12. [百度学术]
GUO X Q. Application of feather industry and textile fiber products[J]. Foreign Textile Technology, 2002(6): 11-12. [百度学术]
俞镇慌, 王利伟, 丁国沪. 羽毛纤维和化纤混纺保暖絮片[J]. 产业用纺织品, 2004, 22(7): 10-15. [百度学术]
YU Z H, WANG L W, DING G H. Feather fiber and chemical fiber blend warm flakes[J]. Industrial Textiles, 2004, 22(7): 10-15. [百度学术]
Christman J F, Werner H J. Chromatography and biological stains. IV. Preparation of a suitable fat stain from commercial Sudan III[J]. Stain Technol, 1953, 28(5): 259-264. [百度学术]
胡梦岩, 王高升, 刘春兰, 等. 羽毛纤维的形态分析及其造纸性能研究[J]. 中国造纸, 2014, 33(10): 26-30. [百度学术]
HU M Y, WANG G S, LIU C L, et al. Study on morphological ana⁃lysis of feather fiber and its papermaking performance[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(10): 26-30. [百度学术]
金 阳, 李益民, 李薇雅. 羽绒纤维与其它蛋白质纤维结构的比较[J]. 纺织学报, 2003, 24(5): 41-42,5. [百度学术]
JIN Y, LI Y M, LI W Y. Comparison of feather fibers with other protein fibers[J]. Textile Journals, 2003, 24(5): 41-42,5. [百度学术]
周昌瑜, 蒋娅婷, 曹锦轩, 等. 肌原纤维蛋白浓度对风味物质吸附性能的影响[J]. 核农学报, 2016, 30(5): 904-911. [百度学术]
ZHOU C Y, JIANG Y T, CAO J X, et al. Effect of the myofibril proteins concnetrations on the adsorbing capacity for the flavor compounds[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2016, 30(5): 904-911. [百度学术]
卢 璐, 王 洪, 柯勤飞, 等. 羽毛纤维对C
LU L, WANG H, KE Q F, et al. Study on adsorption mechanism of C
Bothe L. Biaxially-oriented polyolefin multi-layer film which can be sealed on both sides and the preparation and use of the same: US, US5089319[P]. 1992-02-28. [百度学术]
孔卫红. 纺织纤维的分类[J]. 今日科技, 1994(1): 33-33. [百度学术]
KONG W H. Classification of textile fibres[J]. Today Science & Technology, 1994(1): 33-33. [百度学术]
崔立明, 柳 翱, 张凤涛. 大豆蛋白质纤维(华康)聚集态结构[J]. 长春工业大学学报, 2005, 26(2): 105-108. [百度学术]
CUI L M, LIU A, ZHANG F T. Soybean protein fiber (Hua Kang) aggregation structure[J]. Journal of Changchun University of Technology, 2005, 26(2): 105-108. [百度学术]
关丽涛, 杨崇岭, 赵耀明. 羽毛纤维的耐化学试剂性能[J]. 纺织学报, 2008, 29(4): 27-31. [百度学术]
GUAN L T, YANG C L, ZHAO Y M. The reagent chemical resistance of feather fibers[J]. Journal of Textile, 2008, 29(4): 27-31. [百度学术]