【中国科学报】我国科学家研制出快速吸附水面浮油材料 2017-04-10

本报讯(通讯员范琼 记者郭爽)中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、化学与材料科学学院教授俞书宏课题组在高黏度浮油吸附材料设计上取得突破性进展。俞书宏课题组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黏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原油的收集装置,大幅提高了吸油材料对高黏度浮油的吸附速度,显著降低了浮油清理时间。该成果4月3日在线发表于《自然—纳米技术》杂志。

 

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。原油泄漏所产生的水面浮油具有面积大、油层薄、黏度大等特点,难以采用传统技术和材料进行有效处理。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黏度油品具有较高的吸附效率,而清理回收水面原油泄漏非常困难。因为原油的黏度比较大,即使是低黏度的原油,在泄漏后的短短几小时内,黏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,进而降低了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,迫切需要解决高黏度浮油在多孔疏水亲油材料内部扩散慢的难题。

 

研究人员发现,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黏度,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黏度原油。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,他们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商业化有着重要意义。

 

该研究提出的可加热经石墨烯功能化后的海绵组装体材料,经优化材料和结构可进一步降低材料成本和电能消耗,有望在今后应对海上原油泄漏事故处置中获得广泛应用。

 

《自然-纳米技术》杂志审稿人评价称:“该研究利用石墨烯的焦耳热效应,使得石墨烯修饰的海绵能够原位降低原油的黏度,从而从水面上清除原油。这个想法具有非常高的原创性和革新性。”该杂志配发评论称:“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黏度浮油的新纪元。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黏度石油以及水下超重质石油或者沥青。”

 

《中国科学报》 (2017-04-10 第1版 要闻)

http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2017/4/322280.shtm


     
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