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我国学者在水面高粘度原油连续吸附与清理研究中取得重要进展
2017年05月08日    作者: 付雪峰 黄宝晟 陈拥军    发布 : 化学科学部

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图:焦耳热辅助石墨烯修饰的海绵快速吸附高粘度浮油示意图。

在国家自然科学基金委创新研究群体项目、重点项目(项目编号:21521001, 21431006)等资助下,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)、化学与材料科学学院俞书宏教授课题组在水面高粘度原油连续吸附与清理研究方面取得重要进展。该成果以“Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill”(焦耳热辅助石墨烯修饰的海绵快速吸附高粘度浮油)为题于5月5日发表在《自然-纳米技术》杂志上(Nature Nanotechnology,2017, 12(5), 434-440. 封面论文)。论文链接:http://www.nature.com/nnano/journal/v12/n5/full/nnano.2017.33.html

海上原油泄漏不仅给生态环境带来灾难性的破坏,还会造成巨大的经济损失。然而,原油泄漏所产生的水面浮油具有面积大、油层薄、粘度大等特点,难以采用传统的技术和材料来有效的处理。撇油船在围油栏的配合下能够处理的浮油面积非常有限,并且回收的浮油中含水量大;向原油泄漏区域播撒分散剂也仅能将部分浮油分散到水体中,而形成的原油乳液颗粒依然会威胁到海洋生物的生存环境;直接引燃浮油会引发严重的空气污染,同时会造成浮油泄漏区域缺氧。近年来,多孔疏水亲油材料因其具有成本低、油水分离效率高、操作简单、环境友好等诸多优势,逐渐受到研究人员的重视。然而,多孔疏水亲油材料仅对低粘度油品具有较高的吸附效率,而对水面原油泄漏的清理回收非常困难。因为原油的粘度比较大,即使是低粘度的原油,在泄漏后的短短几小时内,粘度就会增加数百倍以上,使多孔疏水亲油材料难以将浮油快速吸附到内部,降低多孔疏水亲油材料的利用率和浮油清理的速度。因此,为了促进多孔疏水亲油材料在海上浮油清理领域的广泛应用,迫切需要解决高粘度浮油在多孔疏水亲油材料内部扩散慢的难题。

俞书宏课题组自2012年以来,持续开展了宏观尺度纳米组装体吸油材料的设计与制备方法研究。首次将焦耳热效应引入到多孔疏水亲油吸油材料中,设计并研制出可快速降低水面上原油粘度的石墨烯功能化海绵组装体材料和连续收集环境中泄漏的原油的收集装置,大幅提高了吸油材料对高粘度浮油的吸附速度,显著降低了浮油清理时间(图)。研究人员首先采用离心辅助浸渍涂覆技术,在商业海绵表面,均匀的包裹上石墨烯涂层,得到的经石墨烯修饰后的海绵不仅导电,还具有疏水亲油特性。研究发现,在这种经石墨烯功能化后的海绵上施加电压后,产生的焦耳热会迅速增加与其接触的原油温度,有效降低了与之接触的原油的粘度,从而提高原油在石墨烯功能化海绵内部的扩散系数,最终使得经石墨烯功能化海绵能够快速吸附水面上高粘度原油。为提高电能的利用效率,他们将加热区域限制到石墨烯功能化海绵的底部,顶层的海绵和水面的浮油相当于隔热层,缓解热量向空气和水体中扩散,提高热量向原油传递的效率。在这种限域加热设计下,电能消耗降低了65.6%,石墨烯的用量降低了50%,吸油时间也只有常温石墨烯海绵的5.4%。此外,研究人员还提出阵列电极设计,证明了这种焦耳热辅助多孔疏水亲油材料吸油技术,可以实现工业化生产。这种阵列电极设计,使大面积石墨烯修饰的海绵在较低的通电电压下,依然可以加热到很高的温度,这对该技术将来走向实用化有着重要的意义。

《自然-纳米技术》杂志News & Views栏目配发了题为“Oil spill recovery: Graphene heaters absorb faster”(漏油回收:石墨烯加热器使吸收更快)的评论 (Nat. Nanotechnol. 2017, 12(5), 406-407), 评价称:“原位调节石油流变性并最终实现石油的快速清理是一个原创性的概念,开启快速清理水面高粘度浮油的新纪元。采用类似的策略,我们可以想象,未来的智能复合材料还可以吸附乳化的高粘度石油以及水下超重质石油或者沥青。”报道链接:http://www.nature.com/articles/n-12193718

该刊在Editorial栏目以“Think Bigger”为题强调了今后类似本研究的面向改善环境应用技术研发中可量测性研究的重要性(Nat. Nanotechnol. 2017, 12(5), 395)。编辑社论链接:http://www.nature.com/nnano/journal/v12/n5/full/nnano.2017.96.html

《自然》杂志在Research Highlights栏目以“Hot graphene sponge mops up oil fast”(热石墨烯海绵快速清理原油)为题将该工作选为研究亮点(Nature 2017, 544, 9)。报道链接:http://www.nature.com/articles/n-12193718

这项研究开辟了浮油吸附材料设计的新路径,解决了以往多孔疏水亲油材料对高粘度浮油吸附速度慢的难题,将此类通过加热经石墨烯功能化后的海绵组装体材料经材料和结构优化后,有望进一步降低材料成本和电能消耗,在今后应对海上原油泄漏事故中获得应用,在石油化工业等行业中的油水分离方面也有着广泛的应用前景。

(化学科学部:付雪峰,黄宝晟,陈拥军)

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