至中科大科学家研制出连续收集泄漏原油大科学装置

技术新闻发布时间:2021-10-05

中科大科学家研制出连续收集泄漏原油大科学装置 中科大科学家研制出连续搜集泄漏原油大科学装置 时间:2017⑷⑴7 13:13:00

日前,中科大合肥微尺度物资科学国家实验室等在在高粘度浮油吸附材料设计使之成为脊柱外科的实用工具上获得突破性进展,设计研发出连续搜集环境中泄漏的原油科学装置。

中国科学技术大学合肥微尺度物资科学国家实验室、化学与材料科学学院教授俞书宏课题组在高粘度浮油吸附材料设计上获得突破性进展,首次将焦耳热效应引入到多孔疏水亲油吸油材料中,设计并研制出可快速下降水面上原油粘度的石墨烯功能化海绵组装体材料和连续搜集环境中泄漏的原油的搜集装置,大幅提高了吸油材料对高粘度浮油的吸附速度,显著下降了浮油清算时间。该成果以Joule-heated graphene-wrapped sponge enables fast clean-up of viscous crude-oil spill 为题,4月3日在线发表在《自然-纳米技术》杂志上(Nat. Nanotechnol. 2017, DOI:10.1038/NNANO.2017.331.动态响应好. Front Cover)。

海上原油泄漏不但给生态环境带来灾害性的破坏,还会造成巨大的经济损失。但是,原油泄漏所产生的水面浮油具有面积大、油层薄、粘度大等特点,难以采取传统的技术和材料来有效地处理。撇油船在围油栏的配合下能够处理的浮油面积非常有限,并且回收的浮油中含水量大;向原油泄漏区域播撒分散剂也仅能将部份浮油分散到水体中,而构成的原油乳液颗粒仍然会要挟到海洋生物的生存环境;直接引燃浮油会引发严重的空气污染,同时会造成浮油泄漏区域缺氧。最近几年来,多孔疏水亲油材料因其具有本钱低、油水份离效力高、操作简单、环境友好等诸多优势,逐步遭到研究人员的重视。但是,多孔疏水亲油材料仅对低粘度油品具有较高的吸附效力,而对水面原油泄漏的清算回收非常困难。由于原油的粘度比较大,即便是低粘度的原油,在泄漏后的短短几小时内,粘度就会增加数百倍以上,使多孔疏水亲油材料难以将浮油快速吸附到内部,下降多孔疏水亲油材料的利用率和浮油清算的速度。因此,为了增进多孔疏水亲油材料在海上浮油清算领域的广泛利用,迫切需要解决高粘度浮油在多孔疏水亲油材料内部分散慢的困难。

俞书宏团队自2012年以来,延续展开了高性能碳基组装体吸油材料的设计与制备方法研究。他们首次将石墨烯的焦耳热效应和石墨烯的疏水亲油特性集成到多孔吸油材料上,设计出具有原位加热和油水份离功能的石墨烯功能化海绵,在保持较高油水份离效力的情况下,大幅提高了多孔疏水亲油材料对高粘度浮油的吸附速度(图1)。首先,他们采取离心辅助浸渍涂覆技术,在商业海绵表面均匀地包裹上石墨烯涂层,得到的经石墨烯修饰后的海绵不但导电,还具有疏水亲油特性。他们研究发现,在这类经石墨烯功能化后的海绵上施加电压后,产生的焦耳热会迅速增加与其接触的原油温度,有效下降了与之接触的原油的粘度,从而提高原油在石墨烯功能化海绵内部的分散系数,终使得经石墨烯功能化海绵能够快速吸附水面上高粘度原油(图2)。为提高电能的利用效力,他们将加热区域限制到石墨烯功能化海绵的底部,顶层的海绵和水面的浮油相当于隔热层,减缓热量向空气和水体中分散,提高热量向原油传递的效力(图3)。在这类限域加热设计下,电能消耗下降了65.6,石墨烯的用量下降了50,吸油时间也只有常温石墨烯海绵的5.4。另外,他们还提出阵列电极设计,证明了这类焦耳热辅助多孔疏水亲油材料吸油技术可以实现工业化生产。这类阵列电极设计,使大面积石墨烯修饰的海绵在较低的通电电压下,仍然可以加热到很高的温度,这对该技术将来走向商业化有侧重要的意义。

《自然-纳米技术》杂志审稿人评价称:这个故事非常有趣,其中有几个灵巧的想法,例如利用加热手段下降原油粘度,使原油的吸附变得可行,文章中报导的研究结果确给两边的丝杠加上黄油保了焦耳热辅助石墨烯修饰的海绵的利用,这是1个新颖且有趣的工作,该研究利用石墨烯的焦耳热效应,使得石墨烯修饰的海绵能够原位下降原油的粘度,从而从水面上清除原油。这个想法具有非常高的原创性和革新性。

Nature Nanotechnology 杂志News Views栏目配发了题为Oil spill recovery: Graphene heaters absorb faster 的评论,评价称:原位调理石油流变性并终实现石油的快速清算是1个原创性的概念,开启快速清算水面高粘度浮油的新纪元。采取类似的策略,我们可以想象,未来的智能复合材料还可以吸附乳化的高粘度石油和水下超重质石油或沥青。《自然》(Nature)杂志在Research Highlights栏目以Hot graphene sponge mops up oil fast 为题,将该工作选为研究亮点。该工作将于5月份以封面论文情势正式发表。

这项研究首创了浮油吸附材料设计的新路径,解决了以往多孔疏水亲油材料对高粘度浮油吸附速度慢的困难,提出的界面加热下降原油粘度的原创技术在石油化工业中的油水份离领域也有着广泛的利用前景。该研究提出的可加热经石墨烯功能化后的海绵组装体材料,经优化材料和结构可进1步下降本钱和电能消耗,有望在今后应对海上原油泄漏事故处置中取得广泛的利用。

该工作得到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、中科院前沿科学重点研究7 根据实验要求的受力速度项目、中科院科技服务网络计划项目、国家重大科学研究计划、苏州纳米科技协同创新中心、中科院纳米科学创新中心、合肥大科学中心用户基金、中央高校基本科研业务费专项等资助。

至中科大科学家研制出连续收集泄漏原油大科学装置

图1:焦耳热辅助石墨烯修饰的海绵快速吸附高粘度浮油示意图

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图3:石墨烯海绵温度散布场对电能利用效力的影响。a.具有不同电极结构(GWS-x)和石墨烯涂层(GWS-MS-x)的石墨烯修饰的海绵,在相同通电功率下的温度散布场摹拟计算结果。b.与图a相对应的实验结果。c.石墨烯修饰的海绵吸油速度测试装置示意图。d.在相同输入电功率密度下,电极结构和石墨烯涂层的散布对石墨烯修饰的海绵吸油速度的影响。e.具有不同电极结构和石墨烯涂层的石墨烯修饰的海绵所能承受的大通电功率。f.加热区域厚度调控。g.不同温度场的石墨烯修饰的海绵的吸油时间同输入电能的关系。h.石墨烯修饰的海绵(GWS-MS⑴0-Pmax)吸油进程中的热量传递摹拟计算结果。