日前,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室的俞書宏教授課題組在高黏度浮油吸附材料設(shè)計上取得突破性進展,相關(guān)成果在線發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》雜志上。該課題組首次將焦耳熱效應(yīng)引入到多孔疏水親油吸油材料中,設(shè)計研制出可快速降低水面上原油黏度的石墨烯功能化海綿組裝體材料和收集裝置,大幅提高了吸油材料對高黏度浮油的吸附速度,顯著降低了浮油清理時間。

海上原油泄漏不僅給環(huán)境帶來災(zāi)難性破壞,還會造成巨大經(jīng)濟損失。原油泄漏所產(chǎn)生的水面浮油具有面積大、油層薄、黏度大等特點,難以采用傳統(tǒng)技術(shù)和材料有效處理:撇油船在圍油欄的配合下能夠處理的浮油面積非常有限,且回收的浮油中含水量大;向原油泄漏區(qū)域播撒分散劑僅能將部分浮油分散到水體中,新形成的原油乳液顆粒依然會威脅海洋生物的生存環(huán)境……

近年來,多孔疏水親油材料因具有成本低、油水分離效率高、環(huán)境友好等優(yōu)勢,逐漸受到重視。然而,該材料僅對低黏度油品具有較高吸附效率,清理回收水面原油泄漏非常困難。因為原油的黏度比較大,導(dǎo)致多孔疏水親油材料難以將浮油快速吸附到內(nèi)部,利用率和浮油清理速度大幅降低。

2012年起,俞書宏團隊持續(xù)開展了高性能碳基組裝體吸油材料的設(shè)計與制備方法研究。他們首次設(shè)計出具有原位加熱和油水分離功能的石墨烯功能化海綿,大幅提高了多孔疏水親油材料對高黏度浮油的吸附速度。研究中,他們首先采用離心輔助浸漬涂覆技術(shù),在商業(yè)海綿表面均勻包裹上石墨烯涂層,使其不僅導(dǎo)電,還具有疏水親油特性,施加電壓后,產(chǎn)生的焦耳熱會迅速增加與其接觸的原油溫度,有效降低了與之接觸的原油黏度,最終使得經(jīng)石墨烯功能化的海綿能夠快速吸附水面上高黏度原油。為提高電能的利用效率,他們將加熱區(qū)域限制到石墨烯功能化海綿的底部,頂層海綿和水面的浮油相當(dāng)于隔熱層,緩解熱量擴散,提高熱量向原油傳遞的效率。在這種限域加熱設(shè)計下,電能消耗降低了65.6%,石墨烯的用量降低了50%,吸油時間也只有常溫石墨烯海綿的5.4%。此外,他們還提出陣列電極設(shè)計,證明了這種焦耳熱輔助多孔疏水親油材料吸油技術(shù)可以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),具有重大商業(yè)化意義。

《自然-納米技術(shù)》雜志的審稿人評價稱:"這個故事非常有趣,其中有幾個靈巧的想法,例如利用加熱手段降低原油黏度,使原油的吸附變得可行""文章中的研究結(jié)果確保了焦耳熱輔助石墨烯修飾的海綿的應(yīng)用,這是個新穎有趣的工作""該研究利用石墨烯的焦耳熱效應(yīng),使得石墨烯修飾的海綿能夠原位降低原油的黏度,從水面上清除原油。這個想法具有非常高的原創(chuàng)性和革新性"。

該雜志還配發(fā)了評論文章稱:"原位調(diào)節(jié)石油流變性并最終實現(xiàn)石油的快速清理是一個原創(chuàng)性的概念,開啟快速清理水面高黏度浮油的新紀(jì)元。采用類似的策略,我們可以想象,未來的智能復(fù)合材料還可以吸附乳化的高黏度石油以及水下超重質(zhì)石油或者瀝青。"

據(jù)悉,這項研究開創(chuàng)了浮油吸附材料設(shè)計的新路徑,提出的相關(guān)原創(chuàng)技術(shù)在石油化工行業(yè)中的油水分離領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用前景。該研究提出的可加熱經(jīng)石墨烯功能化后的海綿組裝體材料,有望在今后應(yīng)對海上原油泄漏事故處置中獲得廣泛應(yīng)用。

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