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    東北林大王成毓教授、哈工大賀詩欣教授:可再生光熱轉換木材海綿—原位誘導高粘原油吸附與可循環擠壓再生
    2020-06-18  來源:高分子科技

      在經濟全球化的背景下,原油作為保證工業運行的基礎性能源,在帶來源動力的同時,也因為近年來在運輸、開采等環節發生的泄露問題對周圍環境造成嚴重影響,近些年發生的幾次海上原油泄露事故對海洋生態環境也造成了長期的影響與破壞。


      當前,困擾泄露原油相處理的原因之一在于其本身的高粘度,這導致原油本身的流動性較差,進而影響收集效率,此外,相對于目前采用的一些諸如原位燃燒的方式,會對水體環境造成污染,同時造成一定的資源浪費。因此,能夠對原油相進行選擇性地高效收集,是目前亟待解決的問題之一。另一方面的問題在于,盡管之前已經有所報導可用于原油吸附的材料,但是這些材料普遍造成成本高、環境相容性差,同時不能夠保證足夠的機械性能與避免對環境的二次污染,因此,開發新型吸附材料也是需要解決的另一問題。


    圖1. (a) 自然生長木材與光照驅動蒸發過程。(b) 由木材制備光熱木材氣凝膠過程示意。(c) 光熱木材氣凝膠原位還原氧化石墨烯光熱轉換過程示意。(d) 光熱木材海綿的孔道困光效應與毛細力誘導原油吸附過程示意。(e) 光熱誘導的原油吸附過程與原油擠壓再生過程。


      基于上述實際應用需求與當前研究存在的問題,研究人員利用天然木材的多孔排列結構,通過選擇性去除木質素、半纖維素等組分,原位輔助修飾光熱材料與透明疏水材料后,制備得到了具有天然木材衍生結構的可壓縮回彈光熱氣凝膠材料;其能夠通過與高粘度原油相接觸,將光熱轉換的熱能定向傳導到高粘度原油相界面處,利用原油粘度隨溫度升高而降低的響應特性,增加原油流動性,再利用天然木材氣凝膠材料的孔道毛細力作用將對流動原油性進行收集,材料最終能夠對流動原油相實現0.801 g·cm-3的飽和吸附量。此外,透明疏水涂層也保證了材料對油相的選擇性吸附,同時能夠實現對不同溫度下原油相的智能性浸潤效果。得益于其可壓縮循環再生的特殊結構,吸附的原油能夠通過簡單的機械擠壓法收集,同時吸附材料能夠重復利用。


    圖2. (a, b) 木材氣凝膠與光熱木材氣凝膠沿木材橫切面與縱切面的外觀形貌與掃描電鏡微觀形貌。(c) 制備材料與材料制備中間體的紅外譜圖。(d) 氧化石墨烯與還原氧化石墨烯的拉曼譜圖。(e) 氧化石墨烯與還原氧化石墨烯的高分辨透射電鏡形貌。(f) 制備材料與材料制備中間體的增材質量變化。(g, h) 光熱木材氣凝膠沿木材橫切面與縱切面的Si元素能譜圖。(i-l) 光熱木材氣凝膠的XPS能譜圖。


    圖3. (a, b) 原油與水在80 ℃時在光熱木材氣凝膠表面的浸潤性。(c, d) 原油與水在30 ℃時在光熱木材氣凝膠表面的浸潤性。(e) 材料各測試面示意圖。(f) 材料各測試面水相浸潤接觸角。(g, h) 油相在材料沿木材橫切面與縱切面的浸潤過程。(i) 材料在水下形成疏水空氣膜效果示意。


      為了說明利用光熱木材氣凝膠進行原位光熱轉換誘導原油吸附過程的有效性與可能性機制,研究人員通過將實際測試與物理場仿真模擬相結合的手段對此進行了說明,發現得益于光熱木材氣凝膠各向異性的熱傳導能力,在模擬光源照射下,熱能能夠有效且方向可控地傳遞至與材料接觸的原油相界面,進而繼續傳導至周邊原油相,溫度升高的原油相從而被吸附到材料內,溫度相對較低的原油相則被繼續加熱,這種連續的過程也保證了主動收集方式的可行性,模擬結果顯示的目標區域溫升結果也與實際測試結果高度一致,說明所提出的這種梯度熱值傳導機制的合理性。


    圖4. (a) 原油粘度隨溫度變化曲線。(b) 材料吸光度。(c) 材料熱導率。(d) 材料光熱溫升曲線。(e) 光熱誘導原油吸附過程示意圖。(f) 光熱誘導原油吸附溫升階段。(g, h) 光熱誘導原油吸附相鄰相關區域溫升曲線。(i, j) 吸附原油在光照與無光照情況下的泄漏情況。


    圖5. (a) 模擬結果顯示的光熱木材氣凝膠上表面終態溫度分布。(b) 空氣-原油相溫度變化的模擬結果。(c) 模擬結果顯示的光熱誘導原油吸附階段。(d) 模擬結果顯示的光熱木材氣凝膠孔道內吸附原油的溫度變化。


      此外,為了說明光熱木材氣凝膠在原油吸附擠壓再生過程中材料結構的影響,研究人員通過合理簡化材料結構單元,通過物理場仿真模擬的手段模擬了其在未吸附原油與飽和吸附原油時,不同壓縮量下的結構受力變形情況,發現在由原始木材轉變為木材氣凝膠后,由于層疊狀排列的結構,其所受的壓縮應力更為分散均勻,同時保證了材料結構的穩定性與耐用性。


    圖6. (a) 原油吸附與擠壓循環再生過程示意。(b) 原始木材、木材氣凝膠與光熱木材氣凝膠的壓縮循環曲線。(c) 光熱木材氣凝膠循環吸附原油相的質量變化。(d, e) 光熱木材氣凝膠沿木材橫切面與縱切面的重物壓縮效果示意。(f) 光熱木材氣凝膠沿木材縱切面的壓縮失效曲線。(g, h) 光熱木材氣凝膠沿木材橫切面在不同壓縮形變量下的壓縮曲線與循環后樣品壓縮曲線。(i, j) 模擬結果顯示的內部未填充原油與填充原油的光熱木材氣凝膠的壓縮受力云圖。(k) 模擬結果顯示的不同壓縮量下內部為填充與填充原油相光熱木材氣凝膠在不同壓縮量下的壓縮應力。


      研究人員同時還對材料實際使用的穩定性進行了測試,發現在吸附循環10次的基礎之上,材料的飽和吸附量與表面疏水性并未發生明顯的衰減;同時為了應對實際開采原油相中的復雜組成,例如二次原油開采過程中需要添加部分表面活性劑,研究人員對三種不同濃度下的表面活性劑對材料表面浸潤性的影響也進行了測試,發現材料本身同時也對常見類型的表面活性劑具有良好的阻抗作用,能夠很好地應對實際應用中的各種需求。


    圖7. (a) 光熱木材氣凝膠在10次吸附擠壓循環后表面浸潤性的變化。(b) 光熱木材氣凝膠對三種常見表面活性劑的不同濃度水溶液的浸潤性變化。


      上述工作近期以“Natural Sponge-like Wood-Derived Aerogel for Solar-Assisted Adsorption and Recovery of High-viscous Crude Oil”為題發表在Elsevier旗下雜志Chemical Engineering Journal,該論文第一作者為東北林業大學材料學院2018級碩士研究生晁偉翔,東北林業大學材料學院王成毓教授與哈爾濱工業大學環境學院賀詩欣教授為該論文共同通訊作者,澳大利亞阿德萊德大學王少彬教授對本文工作提供了部分指導意見。該工作受到國家自然科學基金項目支持。


      論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720319938

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