寧波材料所在木質(zhì)素基聚氨酯泡沫用于快速清理和高效回收海面泄漏原油方面取得研究進(jìn)展
近年來(lái)，原油或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的泄漏已造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。它不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和石化資源的浪費(fèi)，而且對(duì)濕地和海洋生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。因?yàn)楦哒扯仍途哂械蜏匦誀铑?lèi)似固體、高溫液態(tài)的特點(diǎn)，近年來(lái)利用太陽(yáng)能，輔助吸熱材料，實(shí)現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)化加速原油吸收成為研究熱點(diǎn)。當(dāng)前原油吸附材料大多分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)是石油基商用泡沫表面改性，這一類(lèi)吸附材料大多性能優(yōu)異，但是不能兼具綠色、環(huán)保、生物質(zhì)來(lái)源的特點(diǎn)；第二類(lèi)是經(jīng)過(guò)處理或表面修飾的天然生物質(zhì)材料，這類(lèi)材料大多具有生物質(zhì)來(lái)源、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，但是多為硬質(zhì)易碎材料，不具備高效、高彈、可重復(fù)循環(huán)的特性。因此，制備生物質(zhì)來(lái)源且性能高效的吸附材料成為一大挑戰(zhàn)。
最近，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所朱錦研究員、智能高分子團(tuán)隊(duì)陳濤研究員和加拿大多倫多大學(xué)顏寧教授團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表題為“Mechanically Robust, Solar-Driven, and Degradable Lignin-Based Polyurethane Adsorbent for Efficient Crude Oil Spill Remediation”的研究論文，碩士生馬曉振與博士生張暢為共同一作。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128956。
該工作開(kāi)發(fā)了一種木質(zhì)素基聚氨酯碳納米管復(fù)合泡沫材料（如圖1和圖2所示），該材料既具有石油基高分子的高彈性狀可調(diào)節(jié)的特性，還有部分生物質(zhì)來(lái)源，能夠在特定環(huán)境下降解，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。在此研究中，研究團(tuán)隊(duì)以固態(tài)的木質(zhì)素液化制得質(zhì)地均勻的木質(zhì)素基多元醇，進(jìn)而制得木質(zhì)素基聚氨酯復(fù)合泡沫。該材料具有合適的泡孔尺寸，優(yōu)異的光熱效應(yīng)、原油吸附能力以及可降解性能，真正可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保。
原油回收以及循環(huán)性能評(píng)估
原油清潔過(guò)程分為兩個(gè)步驟，加熱過(guò)程和吸附過(guò)程（如圖3所示）。第0-4分鐘為加熱過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，由于該吸附劑具有出色的光熱轉(zhuǎn)化能力，在陽(yáng)光照射下，表面溫度在2分鐘內(nèi)迅速上升至77.1℃，但泡沫表面的溫度在第4分鐘降低到74.2℃，溫度的降低是由于泡沫吸收了低粘度原油引起的。光照開(kāi)始后的4-6分鐘為吸附過(guò)程，在該過(guò)程中低粘度原油被連續(xù)吸入泡沫，面積不斷減小。除去泡沫后，浮在水面上的所有原油均被清除。該吸附劑還具有非常好的彈性回復(fù)率。經(jīng)過(guò)100次反復(fù)壓縮試驗(yàn)，彈性回復(fù)率仍可達(dá)到98.75％，抗壓強(qiáng)度為0.072MPa。以上特性都有利于將泡沫內(nèi)的油擠出。因此，該吸附劑能夠用于原油的重復(fù)吸附與脫附，且飽和吸附容量為6.34±0.27g/g。以上數(shù)據(jù)表明，該吸附劑的高光熱轉(zhuǎn)化和高回彈特性可實(shí)現(xiàn)原油的快速清潔和有效回收。
降解性能評(píng)估
為了探索木質(zhì)素基聚氨酯的降解能力，在堿性溶液、加熱條件下對(duì)木質(zhì)素聚氨酯泡沫進(jìn)行了降解實(shí)驗(yàn)（如圖4所示）。在80℃的去離子水中浸泡10h后，形狀完全沒(méi)有變化，降解速率極低，僅為0.58mg/h。當(dāng)置于2mol/L的氫氧化鈉水溶液中時(shí)，泡沫在10h后完全變成碎片，溶液的顏色變?yōu)樽厣?，平均降解速率?.25mg/h。隨著溶液堿濃度的增加，降解速率相應(yīng)增加。為了探索木質(zhì)素在降解實(shí)驗(yàn)中的重要性，我們使用不含木質(zhì)素的聚氨酯泡沫進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，其在去離子水中形狀幾乎沒(méi)有變化，降解速率很低，為0.96mg/h。在2mol/L的氫氧化鈉水溶液中，不含木質(zhì)素的泡沫的形狀略有變化，質(zhì)量損失很小，計(jì)算的降解速率為2.43mg/h。含木質(zhì)素的聚氨酯泡沫的降解速率比不含木質(zhì)素的高約2.6倍，這表明木質(zhì)素的存在對(duì)堿降解性能具有至關(guān)重要的作用。
綜上所述，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這種木質(zhì)素基聚氨酯泡沫復(fù)合材料在原油回收環(huán)境治理方面具有非常優(yōu)異的性能，并且在使用過(guò)后能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)降解，對(duì)環(huán)境的污染程度較低。木質(zhì)素基聚氨酯泡沫的出現(xiàn)為陽(yáng)光充足的近海地區(qū)泄露原油的回收提供了一個(gè)可行方案。
該項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)（2017YFE0102300）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51503218）、寧波市自然科學(xué)基金（2019A610147）、寧波市公益類(lèi)科技計(jì)劃項(xiàng)目（202002N3127）和國(guó)家留學(xué)基金委等項(xiàng)目的支持。
圖1 木質(zhì)素基聚氨酯碳納米管復(fù)合泡沫材料用于原油高效清理和回收
圖2 木質(zhì)素基聚氨酯泡沫的制備、放大與降解流程圖
圖3 吸附材料原油吸附照片和二維紅外照片以及材料循環(huán)壓縮性能，原油循環(huán)吸附性能數(shù)據(jù)
圖4 該吸附材料在堿溶液中降解行為的探究以及不含木質(zhì)素聚氨酯泡沫堿溶液中降解性能對(duì)比，降解殘?jiān)M分表征
(高分子與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室 陳景 馬曉振)