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水面浮油吸附材料的最新研究进展及挑战

石油开采和运输过程中难免会发生一些溢油事故,大面积的浮油会对海洋生态环境造成严重的破坏。在2010年墨西哥湾溢油事件中,大约有490万桶原油泄漏到海洋中,对海洋生物、沿海湿地、渔业、旅游业等造成严重的破坏和不可估量的经济损失。除了溢油事故外,工业含油废水和有机溶剂的泄漏也威胁着公众的健康和陆地生态环境。为有效应对油品和有机溶剂的泄漏,我们迫切需要开发出能从水面上高效清除油品或有机溶剂的新材料和新技术。目前,可供采用的材料和技术主要有分散剂、固化剂、原位燃烧、生物修复、吸附剂、撇油机等,其中,吸附剂因其具有完全清除浮油的潜力,同时对生态环境没有副作用而备受关注。

作为良好的浮油吸附剂,应具有疏水性和亲油性、高吸油容量、材料成本低等特点。然而,传统浮油吸附剂面临着油/水分离效率低、吸油容量低、材料成本高等问题。过去十年中,研究人员通过对超浸润生物材料表面的研究,更加深入探究了超润湿性表面背后的科学原理。基于这些发现,研究人员已经制备出一系列具有超疏水和超亲油的仿生表面。将这些表面转移到多孔材料的表面,即可获得超疏水和超亲油浮油吸附剂材料。这种超浸润表面将确保吸附剂在清理浮油中保持优异的油/水分离效率。今年来,研究人员已经开发了多种方法转变基底的浸润特性,小到纳米颗粒,大到宏观三维块材。利用这种表面改性策略,可以使用成本较低的原材料作为基底来制备高性能吸油材料,如矿物材料、生物质、甚至废纸。通过选择或可控制备基底材料,即可获得尺寸大小、孔洞结构和机械性能可控的浮油吸附剂,这对于处理不同情况下的浮油(即油层厚度,粘度,乳化度)非常有利。除了通过表面改性策略获得浮油吸附材料外,基于碳的超轻吸附材料(如石墨烯、碳纳米管气凝胶,热解生物质碳材料等)和可膨胀聚合物吸附剂也具有广泛的应用前景。对于某些特殊情况下的溢油和有机溶剂泄漏事故(如酸性/碱性水面上的油品泄漏,高温有机溶剂泄漏等),浮油吸附剂不仅应具有疏水性和亲油性之外,还应具有耐受极端环境的能力。

浮油吸附剂在清除浮油方面具有上述优势外,还存在有些弊端,比如需要向溢油区域播撒大量浮油吸附剂,耗时耗力且浮油的回收比较困难。因此,如何减少浮油吸附剂的用量并简化浮油清理和回收流程至关重要。单单提高浮油吸附剂的吸油容量难以解决该难题,而基于浮油吸附剂的浮油收集装置具有明显的优势。最近,研究人员提出了两种类型的浮油收集装置: 一种类型是将疏水亲油膜构造成容器式浮油收集器,浮油选择性的通过容器壁并流入到容器中而实现浮油的清理,容器中的浮油可通过简单的倾倒而很容易的实现浮油的回收。由于吸油容量取决于容器的体积,该容器型浮油收集设计显著的减少了浮油吸附剂的用量。另一种类型是引入外力直接将水面浮油清理并回收,达到连续清理和回收水面浮油的效果。在这种情况下,吸油容量已经不再受浮油吸附剂的重量或体积限制。因此,采用外力辅助浮油吸附剂清理水面浮油的技术可能是今后的一个重要发展方向。

 

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