中科大科學(xué)家研制出連續(xù)收集泄漏原油大科學(xué)裝置

【亞洲儀表網(wǎng)訊】日前，中科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等在在高粘度浮油吸附材料設(shè)計(jì)上取得突破性進(jìn)展，設(shè)計(jì)研發(fā)出連續(xù)收集環(huán)境中泄漏的原油科學(xué)裝置。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授俞書宏課題組在高粘度浮油吸附材料設(shè)計(jì)上取得突破性進(jìn)展，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(jì)并研制出可快速降低水面上原油粘度的石墨烯功能化海綿組裝體材料和連續(xù)收集環(huán)境中泄漏的原油的收集裝置，大幅提高了吸油材料對(duì)高粘度浮油的吸附速度，顯著降低了浮油清理時(shí)間。該成果以Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill 為題，4月3日在線發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》雜志上（Nat. Nanotechnol. 2017, DOI:10.1038/NNANO.2017.33. Front Cover）。
海上原油泄漏不僅給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)災(zāi)難性的破壞，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。然而，原油泄漏所產(chǎn)生的水面浮油具有面積大、油層薄、粘度大等特點(diǎn)，難以采用傳統(tǒng)的技術(shù)和材料來(lái)有效地處理。撇油船在圍油欄的配合下能夠處理的浮油面積非常有限，并且回收的浮油中含水量大；向原油泄漏區(qū)域播撒分散劑也僅能將部分浮油分散到水體中，而形成的原油乳液顆粒依然會(huì)威脅到海洋生物的生存環(huán)境；直接引燃浮油會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的空氣污染，同時(shí)會(huì)造成浮油泄漏區(qū)域缺氧。近年來(lái)，多孔疏水親油材料因其具有成本低、油水分離效率高、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢(shì)，逐漸受到研究人員的重視。然而，多孔疏水親油材料僅對(duì)低粘度油品具有較高的吸附效率，而對(duì)水面原油泄漏的清理回收非常困難。因?yàn)樵偷恼扯缺容^大，即使是低粘度的原油，在泄漏后的短短幾小時(shí)內(nèi)，粘度就會(huì)增加數(shù)百倍以上，使多孔疏水親油材料難以將浮油快速吸附到內(nèi)部，降低多孔疏水親油材料的利用率和浮油清理的速度。因此，為了促進(jìn)多孔疏水親油材料在海上浮油清理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，迫切需要解決高粘度浮油在多孔疏水親油材料內(nèi)部擴(kuò)散慢的難題。

俞書宏團(tuán)隊(duì)自2012年以來(lái)，持續(xù)開(kāi)展了高性能碳基組裝體吸油材料的設(shè)計(jì)與制備方法研究。他們首次將石墨烯的焦耳熱效應(yīng)和石墨烯的疏水親油特性集成到多孔吸油材料上，設(shè)計(jì)出具有原位加熱和油水分離功能的石墨烯功能化海綿，在保持較高油水分離效率的情況下，大幅提高了多孔疏水親油材料對(duì)高粘度浮油的吸附速度（圖一）。首先，他們采用離心輔助浸漬涂覆技術(shù)，在商業(yè)海綿表面均勻地包裹上石墨烯涂層，得到的經(jīng)石墨烯修飾后的海綿不僅導(dǎo)電，還具有疏水親油特性。他們研究發(fā)現(xiàn)，在這種經(jīng)石墨烯功能化后的海綿上施加電壓后，產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)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的粘度，從而提高原油在石墨烯功能化海綿內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)，最終使得經(jīng)石墨烯功能化海綿能夠快速吸附水面上高粘度原油（圖二）。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，頂層的海綿和水面的浮油相當(dāng)于隔熱層，緩解熱量向空氣和水體中擴(kuò)散，提高熱量向原油傳遞的效率（圖三）。在這種限域加熱設(shè)計(jì)下，電能消耗降低了65.6%，石墨烯的用量降低了50%，吸油時(shí)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(jì)，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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。這種陣列電極設(shè)計(jì)，使大面積石墨烯修飾的海綿在較低的通電電壓下，依然可以加熱到很高的溫度，這對(duì)該技術(shù)將來(lái)走向商業(yè)化有著重要的意義。

《自然-納米技術(shù)》雜志審稿人評(píng)價(jià)稱：“這個(gè)故事非常有趣，其中有幾個(gè)靈巧的想法，例如利用加熱手段降低原油粘度，使原油的吸附變得可行”，“文章中報(bào)道的研究結(jié)果確保了焦耳熱輔助石墨烯修飾的海綿的應(yīng)用，這是一個(gè)新穎且有趣的工作”，“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粘度，從而從水面上清除原油。這個(gè)想法具有非常高的原創(chuàng)性和革新性”。

Nature Nanotechnology 雜志News & Views欄目配發(fā)了題為Oil spill recovery: Graphene heaters absorb faster 的評(píng)論，評(píng)價(jià)稱：“原位調(diào)節(jié)石油流變性并最終實(shí)現(xiàn)石油的快速清理是一個(gè)原創(chuàng)性的概念，開(kāi)啟快速清理水面高粘度浮油的新紀(jì)元。采用類似的策略，我們可以想象，未來(lái)的智能復(fù)合材料還可以吸附乳化的高粘度石油以及水下超重質(zhì)石油或者瀝青?！薄蹲匀弧罚∟ature）雜志在Research Highlights欄目以Hot graphene sponge mops up oil fast 為題，將該工作選為研究亮點(diǎn)。該工作將于5月份以封面論文形式正式發(fā)表。

這項(xiàng)研究開(kāi)創(chuàng)了浮油吸附材料設(shè)計(jì)的新路徑，解決了以往多孔疏水親油材料對(duì)高粘度浮油吸附速度慢的難題，提出的界面加熱降低原油粘度的原創(chuàng)技術(shù)在石油化工業(yè)中的油水分離領(lǐng)域也有著廣泛的應(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，經(jīng)優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步降低成本和電能消耗，有望在今后應(yīng)對(duì)海上原油泄漏事故處置中獲得廣泛的應(yīng)用。

該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)等資助。

圖一：焦耳熱輔助石墨烯修飾的海綿快速吸附高粘度浮油示意圖
圖三：石墨烯海綿溫度分布場(chǎng)對(duì)電能利用效率的影響。a.具有不同電極結(jié)構(gòu)（GWS-x）和石墨烯涂層（GWS-MS-x）的石墨烯修飾的海綿，在相同通電功率下的溫度分布場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果。b.與圖a相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。c.石墨烯修飾的海綿吸油速度測(cè)試裝置示意圖。d.在相同輸入電功率密度下，電極結(jié)構(gòu)和石墨烯涂層的分布對(duì)石墨烯修飾的海綿吸油速度的影響。e.具有不同電極結(jié)構(gòu)和石墨烯涂層的石墨烯修飾的海綿所能承受的最大通電功率。f.加熱區(qū)域厚度調(diào)控。g.不同溫度場(chǎng)的石墨烯修飾的海綿的吸油時(shí)間同輸入電能的關(guān)系。h.石墨烯修飾的海綿（GWS-MS-10-Pmax）吸油過(guò)程中的熱量傳遞模擬計(jì)算結(jié)果。