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水面浮油吸附材料的最新研究進展及挑戰

石油開采和運輸過程中難免會發生一些溢油事故,大面積的浮油會對海洋生態環境造成嚴重的破壞。在2010年墨西哥灣溢油事件中,大約有490萬桶原油泄漏到海洋中,對海洋生物、沿海濕地、漁業、旅游業等造成嚴重的破壞和不可估量的經濟損失。除了溢油事故外,工業含油廢水和有機溶劑的泄漏也威脅著公眾的健康和陸地生態環境。為有效應對油品和有機溶劑的泄漏,我們迫切需要開發出能從水面上高效清除油品或有機溶劑的新材料和新技術。目前,可供采用的材料和技術主要有分散劑、固化劑、原位燃燒、生物修復、吸附劑、撇油機等,其中,吸附劑因其具有完全清除浮油的潛力,同時對生態環境沒有副作用而備受關注。

作為良好的浮油吸附劑,應具有疏水性和親油性、高吸油容量、材料成本低等特點。然而,傳統浮油吸附劑面臨著油/水分離效率低、吸油容量低、材料成本高等問題。過去十年中,研究人員通過對超浸潤生物材料表面的研究,更加深入探究了超潤濕性表面背后的科學原理。基于這些發現,研究人員已經制備出一系列具有超疏水和超親油的仿生表面。將這些表面轉移到多孔材料的表面,即可獲得超疏水和超親油浮油吸附劑材料。這種超浸潤表面將確保吸附劑在清理浮油中保持優異的油/水分離效率。今年來,研究人員已經開發了多種方法轉變基底的浸潤特性,小到納米顆粒,大到宏觀三維塊材。利用這種表面改性策略,可以使用成本較低的原材料作為基底來制備高性能吸油材料,如礦物材料、生物質、甚至廢紙。通過選擇或可控制備基底材料,即可獲得尺寸大小、孔洞結構和機械性能可控的浮油吸附劑,這對于處理不同情況下的浮油(即油層厚度,粘度,乳化度)非常有利。除了通過表面改性策略獲得浮油吸附材料外,基于碳的超輕吸附材料(如石墨烯、碳納米管氣凝膠,熱解生物質碳材料等)和可膨脹聚合物吸附劑也具有廣泛的應用前景。對于某些特殊情況下的溢油和有機溶劑泄漏事故(如酸性/堿性水面上的油品泄漏,高溫有機溶劑泄漏等),浮油吸附劑不僅應具有疏水性和親油性之外,還應具有耐受極端環境的能力。

浮油吸附劑在清除浮油方面具有上述優勢外,還存在有些弊端,比如需要向溢油區域播撒大量浮油吸附劑,耗時耗力且浮油的回收比較困難。因此,如何減少浮油吸附劑的用量并簡化浮油清理和回收流程至關重要。單單提高浮油吸附劑的吸油容量難以解決該難題,而基于浮油吸附劑的浮油收集裝置具有明顯的優勢。最近,研究人員提出了兩種類型的浮油收集裝置: 一種類型是將疏水親油膜構造成容器式浮油收集器,浮油選擇性的通過容器壁并流入到容器中而實現浮油的清理,容器中的浮油可通過簡單的傾倒而很容易的實現浮油的回收。由于吸油容量取決于容器的體積,該容器型浮油收集設計顯著的減少了浮油吸附劑的用量。另一種類型是引入外力直接將水面浮油清理并回收,達到連續清理和回收水面浮油的效果。在這種情況下,吸油容量已經不再受浮油吸附劑的重量或體積限制。因此,采用外力輔助浮油吸附劑清理水面浮油的技術可能是今后的一個重要發展方向。

 

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