摘要
原油是至关重要的自然资源，极大地改善了人类的生活质量。然而，无论是偶发性的海上溢油事件还是常年进行的船舶排污，都对海洋环境造成了巨大的影响和威胁。当前，用于溢油清理最常用的材料和技术可以分为四种不同的类型，包括化学方法(如分散剂、固化剂)、原位燃烧、生物修复和机械回收(如油围栏、撇油器、吸附剂)等。在这些方法和技术中，纳米材料改性的吸附剂材料可以将水面上或者水体里的油污选择性地吸附并可实现回收，从而不会对水体造成二次污染。因此近年来有关吸附剂的开发研究显得越来越重要。优质的吸附剂材料应具有疏水亲油性能，高吸附容量和低成本。近几十年来，研究人员已经研制了多种类型的吸附剂用于油水分离。然而，常温下普通的吸附剂只对低粘度的油污有效，对于高粘度油污(例如原油)的吸附效率则极低。另一方面，为应对日益减少的轻质原油储量，未来人类对重质原油的开采需求将会逐步增加。由于其粘度大，重质原油又具有非流动性，因此存在额外的开采和运输问题。由于原油具有温敏性，而光热、磁热、电热等热效应已经被广泛研究并得到应用，因此可以将具有热效应的纳米材料与普通吸附剂相集成，利用焦耳热型吸附剂的热效应来改变原油的流变性质，从而大幅度提高吸附速率。 本论文旨在开展新型可快速回收水上高粘度油的吸附材料的制备及性质研究。针对传统三维多孔吸附剂常温下对高粘度油的低回收速率，设计并制备了一种自加热型吸附材料，可原位快速加热高粘度原油，降低其粘度。这种自加热型吸附剂可在室温下快速吸附原油，在自吸泵的联合作用下，实现连续快速无限容量地回收水上溢油。取得的主要研究结果如下: 1.基于石墨烯的疏水亲油性和导电性，设计并制备了一种石墨烯功能化的自加热型海绵吸附剂。首次将焦耳热效应引入了吸附剂体系以改变原油的流体力学性能，从而在保持较高油水分离效率的前提下，大幅提高了多孔疏水亲油材料对高粘度油的吸附速率。与不加热的石墨烯功能化海绵相比，其吸油时间缩短了94.6％。同时，通过优化吸附剂的电极结构实现限域加热以减少吸附剂向空气的热传递，不仅节约了59％的能耗，还能将石墨烯用量降低一半。此外，通过阵列电极设计，实现了大尺寸吸附剂在较低电压下的均匀加热。这一设计策略为吸附剂材料的设计开发提供了新的思路，不仅对海上溢油事件的应急处理具有重要意义，还有望在液体输运和液-液/固-液多相操控领域得到应用。 2.设计并制备了一种耐温型碳化海绵吸附剂，发展了一种耐温型自加热海绵连续回收高粘度原油的方法。虽然密胺海绵具有阻燃性，但是它的耐热性有限，自加热海绵的加热性能也受到限制。因此提高基底材料的耐温性能，便可以进一步升高加热温度，有望加快吸附速率。此外，石墨烯海绵的制备过程会产生强酸性的废水，因此寻找一个更加绿色环保的制备过程也很重要。在本工作中，我们将密胺海绵在管式炉中进行一步热解，得到碳化密胺海绵。这一碳化过程不产生废水且产生的尾气易溶于水，也能很方便的处理。热重结果显示，此碳化海绵可以承受500℃的高温，并且可以在空气中长时间维持250℃以上的温度。而且，碳化密胺海绵还具有防火性能，放置在酒精灯火焰下2分钟后结构没有明显变化。与石墨烯功能化的海绵相比，这种碳化海绵的吸附速率常数提升了14％。在没有预加热的前提下，该新型吸附剂获得了690gg-1h-1的连续移动回收速率。这种耐温型自加热海绵在原油的回收利用方面具有重要的应用前景。
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