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    南京林業大學付宇教授團隊:仿生木材多維結構構建集成超彈光熱MXene氣凝膠解決高粘度原油泄漏
    2020-12-01  來源:高分子科技

      作為地球上最重要的能源之一,原油約占世界石油儲量的40%,隨著原油被不斷的開發與利用,接踵而來的就是海上原油的泄漏,從而造成海洋水體環境的污染,同時也對海洋生物與海洋生態造成了極大的危害。因此,如何處理高粘度原油泄漏成為當前科研人員的研究熱點。氣凝膠具有密度低、孔隙率高、化學穩定性好、比表面積高等優點,在選擇性吸油、自清潔等領域有著廣泛的應用。但是到目前為止,氣凝膠由于結構的脆弱,其力學性能普遍較差,并且對超高粘度的類固體原油(粘度>1000 mpa?s)的吸附性能低仍然限制了其廣泛應用。因此,開發結構與功能一體的具備優異力學性能和優異吸附能力的功能氣凝膠以處理海上泄漏的高粘度原油仍然是一個挑戰。


      南京林業大學付宇教授團隊一直從事生物質資源的高附加值利用和仿生智能界面材料的研究和發展。尤其基于功能化生物質基元體和高分子的復合來發展多組元多功能耦合的新體系,從而探討其在環境、能源、力學功能領域的應用,滿足日益增長的材料的功能和性能需求。基于團隊先前采用功能化纖維素的路徑從而實現仿生多功能材料的構建(Composites Science and Technology 201 (2021) 108524;Cellulose 27,10241–10257(2020))。最近,該團隊受木材仿生思維啟發,基于液相冷凍共組裝技術來發展可控的內在拓撲形貌和可設計分子功能網絡的一體化策略來解決氣凝膠材料的力學結構不穩定和功能適應性的矛盾,并且應用于超高粘度類固體原油的吸附處理。采用功能化納米纖維素原位分散MXene在聚氨酯體系中組裝功能和性能二維疊加網絡;通過冷凍模板技術,調控冷凍工藝,通過后交聯策略實現了木材多維孔道仿生結構的復刻。并且對這種仿生可編程的復合氣凝膠進行了功能的探索,闡述了仿木材形貌的構效關系。由于存在內部仿生木材多維孔道網絡結構,該氣凝膠具備優異的壓縮回彈性能(壓縮回彈100次后依舊保持76.2%回復率),并且具備穩定的超疏水性質(152°)、優異的光熱轉換能力和杰出的吸油能力(60.2 g/g)。由于其多維孔道多重反射和MXene優異的光捕獲能力,實現了在光熱條件下高效快速吸附高粘度重油 (25 g/g的吸附能力和76.2% 的5次循環能力)。該工作為開發新型具有仿生多功能結構的氣凝膠提供了新思路,可用來設計復雜的多層結構從而滿足多功能應用(Chemical Engineering,2020)。



      研究人員首先采用機械化學法合成硅烷功能化的纖維素納米晶,原位搭載分散MXene二維納米片后通過與聚氨酯進行定向冷凍組裝,控制冷凍工藝參數并且后交聯制備仿生木材多維孔道結構的氣凝膠(圖1)。研究人員通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析研究了多元氣凝膠的微觀結構。結果顯示,得益于冰晶定向的生長,氣凝膠內部為層狀多級孔道結構,并且Mapping證實MXene在聚氨酯基體內分散均勻,這也解釋了該氣凝膠優異的吸油能力和杰出的機械穩定性。得益于仿生橋連和多維層狀結構,該氣凝膠表現出優異的力學超彈性,100次壓縮循環之后依舊能保持76.2%的高度回復率,優于大多數報道的氣凝膠材料。



      由于硅烷官能化納米纖維素為疏水性的交聯劑協同氣凝膠的多級表面結構降低了材料表面自由能。氣凝膠也表現出溫度穩定的超疏水特性,氣凝膠在室溫以及80℃高溫下依舊保持152°的穩定的水接觸角,可以應用于高效快速油吸附。其對大多數類型的油類和有機溶劑都保持較好的吸附能力。于此同時氣凝膠的多維結構和高分散性的MXene賦予其優異的光熱轉換能力,在1 kW/m2 光照射下120 s,表面溫度能達到65 ℃。



      根據以上結果,研究人員希望將這種氣凝膠應用于吸附超高粘度類固體重油。科研人員將渤海油田開采的超高粘度原油進行實驗,可以發現通過加熱的方式可以顯著降低重油的粘度。因此,將光熱輔助氣凝膠使得氣凝膠表面溫度極大提高可以降低重油粘度從而達到對重油快速吸附的效果。基于以上理論,研究人員搭建了一套光熱輔助氣凝膠吸附超高粘度重油的裝置,并對其吸附速度和效率進行了深入的研究。研究發現隨著溫度的升高,氣凝膠對于重油的吸附能力也極大的提高,在一個太陽光照下10 s后就能將一滴重油液滴吸附到氣凝膠的多孔結構重,并且5 min 后最高能吸附25 g/g的重油。循環測試性能表面經歷5次循環后依舊能達到76%的吸附效率。這種優異的吸附重油能力可以解釋為兩種原因:(1)仿生木材徑向多級孔道結構("低曲折效應"),使液體能夠在氣凝膠內部快速運輸;(2)分散均勻的MXene賦予氣凝膠顯示出杰出的光熱轉換能力,這極大地提高氣凝膠的表面溫度,降低了原油的粘度。協同效應促進了這種仿生木材結構的氣凝膠顯示出優異的重油吸附能力。更為重要的是,研究人員搭建了一套連接真空泵持續光熱輔助持續吸油的概念性證明也證實有望應用與實際生產當中。



      以上相關成果分別發表在Chemical Engineering Journal;Composites Science and Technology 201 (2021) 108524 和Cellulose (2020) 27:10241–10257上。論文的第一作者為南京林業大學材料科學與工程學院博士生蔡晨陽,通訊作者為付宇教授


      以上工作得到了國家自然科學基金(編號:31770608),江蘇省特聘教授基金(蘇教室 [2016]20)以及江蘇省研究生創新計劃(編號:KYCX19_1087)的支持。


      論文鏈接:

      https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127772

      https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108524

      https://doi.org/10.1007/s10570-020-03484-0

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    (責任編輯:xu)
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