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，卷:16(3)DOI: 10.21767/0972-768X.1000282

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废鸡毛的稳定:绿色油吸附剂

*通信:

Tamrat Tesfaye，南非德班夸祖鲁-纳塔尔大学化学工程学科，电话:+27(0)31 260 2083，电子邮件:tamrat_tsfy@yahoo.com

摘要

随着大规模近海石油工业活动的发展，石油污染的威胁日益增加。最近,减少浪费在许多行业，材料通过重复利用为可持续制造做出了贡献。随着家禽养殖业的规模化发展，大量的垃圾处理浪费鸡毛成了一个大问题。因此，这是一种可持续的方法浪费是必要的。本文对矿石的选矿进行了研究浪费通过将鸡毛转化为吸附剂，用于清理水体中的石油泄漏，以取代昂贵的传统合成吸附剂。鸡毛在快速吸收时间(10分钟)内对液体油的吸附能力非常高(每克鸡毛可吸附16.21克油)。随着与吸附剂接触时间的增加，泄漏油的去除效率增加。LD乐动体育官网未经处理的浪费由于鸡毛表面存在油脂等杂质，导致鸡毛对油脂的吸附速度较慢。鸡毛吸附的油脂85%以上可回收。因此,浪费由于鸡毛具有很高的吸油能力，因此在石油泄漏清理应用中显示出非常有吸引力和前景的吸附/吸收性能，以取代聚合物吸附剂。未经处理和处理过的鸡毛都显示出很好的吸油潜力。

关键字

鸡的羽毛;清理溢油;吸附;采油

简介

石油污染已经成为对水生生物最严重的威胁之一生态系统近30年来由于大规模近海石油工业的发展，增加了石油的径流，增加了意外泄漏、排放燃料陆上来源、石油钻探事故及海上石油运输增加[1-4］．主要食物来源浪费石油包括石油炼制、石化厂、汽车修理厂、金属及钢铁制造业、家庭废物及屠宰场废物中的植物油及动物油[5-7］．大量油类排入生态系统可引起严重的环境问题，包括对水质和水生生物群的不利影响，堵塞污水处理厂，分解石油所需的大量细菌导致化学需氧量增加，以及生化需氧量增加[1-5，8-10］．对受影响水域的溢油进行处理可以改善水质、提高采收率、保护水生生物群和保护环境。

有几种技术用于从受污染的水中去除油性污染物;它们包括原位燃烧、油的凝固、反渗透、过滤、微滤、超滤、气浮、生物修复、重力分离、电凝、化学混凝、电浮和物理技术，如吊杆和撇油器[1，3.，11-14］．这些方法可以分为三大类，即化学、生物和物理过程。化学方法可以有效地去除水中的油脂，但成本高昂，而且会对浮游动物产生不利影响，而浮游动物是海洋食物链中的主要食物来源。经处理的石油无法回收，因此对人畜有害[1，11］．生物修复是清除溢油的有效方法，但耗时较长，其效果受油中的氧含量、温度及有机成分的影响[13，15］．

最近，物理吸附剂在去除溢油方面引起了人们的注意，因为它们具有一些理想的特性，例如低环境的影响,低成本生产低能源消费。物理吸附剂可分为三类:天然有机吸附剂、无机吸附剂和合成有机吸附剂。合成吸附剂，例如聚氨酯[16]、聚氯乙烯及聚乙烯[17成本高，而且不环保。为了克服环境的挑战，人们研制了具有高吸油能力、高孔隙率、大表面积和高降解率的新型合成有机吸附剂，如纤维素气凝胶[18］．无机吸附剂，例如氧化锰[19]，膨润土[6]、蛭石[20.]、飞灰[21]和有机粘土[5]具有很高的吸油能力。天然有机吸附剂，例如泥炭纤维及棉草纤维[22),大米去壳并碳化大米皮(8，23]、丁基橡胶[10),疏水水生植物(24]、活性炭[25]、其他碳基产品[7),椰子皮(26]、锯末[27]、木棉纤维、甘蔗渣[28]，壳聚糖[6]大麦秸秆[29]等天然纤维吸附剂[2也被用于从受污染的水中去除油脂。本文的目的是考察的利用浪费鸡毛在去除受污染水域的石油泄漏中作为一种物理处理手段，以取代目前使用的常规合成吸附剂。

材料与方法

材料

羽毛:鸡毛来自南非德班夸祖鲁-纳塔尔省的彩虹鸡有限公司屠宰场。

清洁剂:十二烷基硫酸钠(SDS) 99.0%购自Sigma-Aldrich。

油:高剪切稳定性，多级机油由原油配制而成(Havoline formula advanced motor oil, sae20w -50，购自南非德班CALTEX)。

方法

鸡毛处理:实验分别用处理过和未处理过的羽毛进行。新鲜拔下的未经处理的湿鸡毛，用0.5 g/L的SDS水溶液清洗，以去除油脂和其他废物，杀死潜在的有害病原体。未经处理的浪费将鸡毛(10克)样品放在烧杯中，以液固比40:1加入SDS溶液。用磁力搅拌器和烧杯在50°C的热板上以500 rpm的速度搅拌样品30分钟。处理过的羽毛通过蒸馏水冲洗10分钟进一步纯化，然后铺在铝箔上，在100°C的空气干燥器中干燥至恒定质量。然后将样品放入密封的塑料袋中，然后保存在受控的实验室环境中(20°C，相对湿度65%)。如前所述，不同的部分具有不同的特征和性质。因此，不同的部分被分开(手动)进行独立测试。干燥处理和未处理的羽毛在使用前用重型铣床粉碎至350 μm大小，以增加羽毛的表面积。

鸡毛组分的表征:羽毛及其部分的形态、化学和物理特征已在许多报告中描述[30.-32］．

鸡毛馏分的吸油能力:将30g氯化钠、0.8 g氯化钾、6.6 g硫酸镁、0.5 g碳酸氢钠、1.3 g氯化钙溶解于1000 ml水中模拟人工海水。通过将150毫升石油与300毫升人造海水混合，模拟了一次石油泄漏。用尼龙网袋将未处理鸡毛、未处理鸡毛、未处理鸡毛、未处理鸡毛粉(350 μm)、处理鸡毛、处理鸡毛、处理鸡毛、处理鸡毛和全鸡毛粉(350 μm)各5 g分散于含模拟水300 ml、油150 ml的烧杯中。吸油实验在25±2℃下进行，持续5、10、30、60分钟。然后用镊子夹起袋子，沥干2min，直到油开始慢慢停止从袋子上滴下。记录袋子的重量(Final weight)，根据公式1计算单位质量的吸油量:

吸附剂单位质量回收率=初始重量-吸附剂最终重量/初始重量(1)

鸡毛馏分的油解吸能力:吸附后，称量鸡毛馏分(初始重量)，然后在25±2°C, YY牛顿条件下压榨(William Apparatus Co.， Watertown, NY) 5分钟，挤出吸附油。压制后记录重量(Final weight)，根据公式2计算单位质量的采油量:

吸附剂单位质量回收率=初始重量-吸附剂最终重量(2)

结果与讨论

鸡毛组分的表征

鸡毛组分的形态结构:仔细观察鸡毛，你会发现它由三个不同的单元组成:(图1)羽轴，即羽毛的中心轴，贯穿羽毛的整个长度，并与次级分支结构相连;倒刺和三级小结构;和小枝(图1 b而且c分别)。这些形态结构表明鸡毛的表面积很大。轴由许多单独的纤维组成(图1 d)．从…中可以看出图1 e，羽倒刺呈蜂窝状中空细胞横截面方向。鸡毛内的空隙可能很容易接触到液体或空气。空心蜂窝结构的存在提供了高抗压缩性，也赋予了倒钩和轴的轻重量。鸡毛横截面图中的蜂巢结构，如图所示图1 e证实了羽毛中存在广泛的气穴。在图1 e确认羽毛的微观结构接近圆形;粗纤维中的髓质呈同心状，大小不规则。任何旨在去除水面油污的吸附剂都应该理想地漂浮在水面上，因为油污倾向于漂浮在水面上。的结构中存在广泛的气穴(蜂窝状结构)浪费鸡毛意味着羽毛可以漂浮在水面上，因此可以作为水面上存在的油的高吸水性材料。鸡毛结构中存在的钩、钩、粗糙的表面外观、纠缠的孔隙和结，增强了油脂的保留性能[30.］．

鸡毛馏分密度:不同鸡毛馏分的密度值见图2。全羽密度和羽部密度差异明显，但全羽密度几乎都与倒刺密度非常接近。倒刺平均相对密度为0.91 g/cm^3.Cv为24.29%，相对低样本同质性的变异指示。数据图2表明记录的平均轴密度为0.44 g/cm^3.Cv 28.99%，相对低样本同质性的变异指示[30.］．全鸡羽毛平均密度为0.68 g/cm^3.Cv为18.91%，Cv相对低并表明样本的同质性。轴截面的扫描电镜显微照片(图1)显示为开孔多孔结构，这很可能是导致轴密度低的原因。轴的平均湿密度为0.76 g/cm^3.Cv为27.48%，相对低样本同质性的变异指示。全鸡羽毛平均密度为0.97 g/cm^3.(Cv 31.96%)，倒刺为1.31 g/cm^3.(Cv 30.26%): Cv是相对的低并表明样本的同质性。结果是图2表明干燥后鸡毛馏分的密度，表明馏分中含有大量的水分。鸡毛及其组分的密度为0.44 ~ 0.91 g/cm^3.:这些值与蛋白质和纤维素纤维的文献值相关性良好，但低于动物和植物纤维，如羊毛(1.31 g/cm)^3.)、蚕丝(1.27克/厘米^3.)、黄麻(1.3克/厘米^3.)、椰壳(1.2克/厘米^3.)和棉花(1.5-1.6克/厘米)^3.)等。从图中可以清楚地看到，目前没有天然或商业上可用的合成纤维具有这样的密度低就像鸡毛一样。考虑到鸡毛馏分的密度，它们可以漂浮在水中。

鸡毛组分疏水性分析:鸡毛含有大约91%的蛋白质(角蛋白)，1%的脂质和8%的水。鸡毛的氨基酸序列与爬行动物爪子角蛋白的氨基酸序列完全相同[33］．氨基酸序列主要由半胱氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和丝氨酸组成表1。丝氨酸(16%)是鸡毛中含量最高的氨基酸。从表中可以清楚地看到，鸡毛组分因此是高度疏水和部分亲水的(表1)．

表1。鸡毛角蛋白纤维的氨基酸含量[33］．

鸡毛中的大部分氨基酸本质上是疏水的[33］．如图3此外，棉花和木浆在第二层(水层)明显聚集，显示出纤维的完全润湿性。然而，鸡毛部分(羽和轴)聚集在水和乙醚层之间的界面。这表明，与棉纤维和木浆相比，鸡毛馏分的润湿性较差;这些观察结果证实了鸡毛馏分的疏水性[31］．羽毛是疏水的，自然会被吸引，并结合在石油中的碳氢化合物，直到它们饱和。因此，鸡毛是理想的吸油材料。无纺布或手纸可以由浪费用鸡毛从受污染的水中除油[32，34］．

鸡毛组分的BET分析:正如从图4而且5，鸡毛部分(倒钩和轴)的物理吸附性能在BET表面积上存在显著差异。两个样品的表面面积的差异可能是由于两个样品之间的微观结构差异，这可以从形貌特征(图1)．由于两部分的孔隙大小都在2 ~ 150 nm之间，可以认为鸡毛部分是介孔和微孔材料。轴的表面积为1.25 m²/g, P/Po=0.20:1.29 m²/g时为单点表面积。P/Po=0.99时，直径小于168.91 nm的倒刺孔总孔体积为0.02 cm³/g。鸡毛轴的孔径大小为吸附平均孔宽(4V/ a按BET计算)55.47 nm, BJH吸附平均孔径(4V/ a) 42.92 nm, BJH解吸平均孔径(4V/ a) 28.78 nm。倒刺的表面积为0.7845 m²/g, P/Po=0.20:0.87 m²/g时为单点表面积。P/Po=0.99时，直径小于139.39 nm孔隙的总孔隙体积为0.01 cm³/g。鸡毛倒钩的孔径为:吸附平均孔宽(4V/ a按BET计算):40.29 nm, BJH吸附平均孔径(4V/ a):87.03 nm, BJH解吸平均孔径(4V/ a):25.81 nm。

图4为鸡毛馏分的BET比表面积。可以看出，与鸡毛倒钩相比，轴的数据更线性，数据分布更均匀。图4结果表明，倒钩的氮吸附量明显低于轴部。该区域是鸡毛馏分内部微孔吸附的代表，微孔是鸡毛馏分内部的吸附位点。这些结果表明，与鸡毛倒钩材料相比，由轴产生的材料具有非常稳定的吸附和解吸特性，从而具有更高的比表面积。

鸡毛样品的倒刺和轴在77 K时的氮吸附/脱附等温线为图5。两组分均表现为iii型等温线，可解释多层的形成。图5显示了鸡毛羽部和羽部吸附/解吸等温线的显著差异:在低轴部压力远高于倒钩部压力，说明存在较多的中孔。

氮的吸收在非常低压力是由于中孔中吸附剂-吸附质相互作用增强导致的中孔和微孔充盈，不同于大孔中的吸附，因为中孔材料中的吸附是由于多层吸附和毛细凝结。

图6-7显示得到的鸡毛组分的孔径分布。鸡毛组分同时具有微孔和中孔。孔道分布最大，轴孔为11.8 nm，倒刺孔为2.89 nm。轴孔和倒钩孔分别在13.95 nm和37.55 nm处存在二次极大孔，在较大的微孔和介孔区域存在孔隙，但这些孔隙分布均远小于一次极大孔。

实验数据

鸡毛馏分的吸油性能

机油与水不相溶;因此，它漂浮在人造海水的表面。在所有实验中，鸡毛都没有下沉到水层，而是浮在水面上，与油层相互作用:这可能是由于鸡毛部分的疏水性和亲油性(图8)．这些都是鸡毛的重要特性，这表明鸡毛会与表面的油相互作用并吸附，而不是下沉并与浮油下面的水混合。这一观察进一步证实了鸡毛馏分的表面本质上是疏水的(图3)，只选择性地吸收油脂。

对鸡毛馏分的油吸附能力进行了评价，并在图9。很明显，处理过的鸡毛馏分可以吸收约16倍于其原始重量的油。另一方面，未经治疗浪费鸡毛吸收油的量只有原来重量的6倍。这是由于存在油脂含量高等原因浪费未经处理的原料表面的污染物浪费鸡毛(图9)．处理过的鸡毛馏分吸收油脂迅速，如图所示图9。吸油实验结果表明，未处理鸡毛的吸油量与处理鸡毛的吸油量差异有统计学意义，这是由于去除了油脂等浪费材料浪费鸡毛会阻碍吸收。鸡毛馏分的中空结构、疏水特性、高角蛋白含量和强二硫化物结合是其对油的高吸附率的主要原因。

鸡毛馏分的吸油量随时间的变化函数为图9。可见，随着吸附时间的增加，鸡毛吸附的油量也随之增加。当接触时间从5分钟增加到30分钟时，吸油量增加了约35%LD乐动体育官网图9吸附过程中，前10 min吸油速度较快，30 min左右吸附液体油的重量达到平衡，表明鸡毛馏分处于饱和状态。观察到的初始快速吸附可能是由于油分子从浓度较高的区域移动到吸附剂表面。数据表明，30分钟的接触时间是清理溢油的理想时间。LD乐动体育官网数据还表明，整块鸡毛比单个鸡毛馏分更有效地除油。因此，没有必要对羽毛进行分馏。

鸡毛馏分的油解吸能力:采用卡弗液压机对鸡毛馏分的吸附剂进行压滤，对其吸油效率进行了评价。图10结果表明，从鸡毛馏分中可回收大量的吸附油(85-95%)，回收率为低用于鸡毛粉。这可能是由于表面对油的吸附大于在鸡毛空隙中的吸收，油被吸引并保持在鸡毛馏分表面，包括内部纤维壁，通过物理键在挤压时容易断裂。吸附在表面的山梨糖比吸附在孔洞内的山梨糖容易被解吸。

结论

治疗和未治疗浪费评价了鸡毛馏分作为污水溢油吸附剂的潜力。处理过的鸡毛馏分吸收的油最多可达其重量的16倍，而未处理的鸡毛馏分吸收的油最多可达其重量的16倍浪费鸡毛由于油脂含量高等原因，只吸收了约6倍于其原来重量的油脂浪费妨碍油吸附的表面污染物。羽毛的亲油性、中空结构、角蛋白含量高、孔隙大小和体积分布等特点表明，鸡毛是理想的溢油吸附剂。

这种应用对羽毛的唯一加工要求是对材料进行脱脂和去除微生物污染的预处理。从实验结果可以看出，吸附过程中吸油速率在前10 min迅速，然后随着接触时间的增加逐渐增加，直到30 min。LD乐动体育官网未经处理和处理过的鸡毛都具有很好的吸油潜力，因为它们的可用性丰富，吸油能力强。然而，不建议使用未经处理的羽毛，因为它具有危险的性质浪费产品。因此，这种应用对羽毛的唯一加工要求是对材料进行脱脂和去除微生物污染的预处理。接触时间、吸附剂的质量、油的粘LD乐动体育官网度、吸附剂的浓度和温度等因素对吸附油的影响将在未来进行研究和优化。

致谢

作者非常感谢来自以下方面的财政和技术支持:埃塞俄比亚巴赫达尔大学纺织和时装设计技术研究所/EiTEX;夸祖鲁-纳塔尔大学化学工程学科热力学研究单元;生物炼制工业发展基金、科学与工业研究理事会(CSIR)和科学技术部，浪费研究发展和创新路线图。

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