东北林大王成毓教授、哈工大贺诗欣教授：可再生光热转换木材海绵—原位诱导高粘原油吸附与可循环挤压再生

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在经济全球化的背景下，原油作为保证工业运行的基础性能源，在带来源动力的同时，也因为近年来在运输、开采等环节发生的泄露问题对周围环境造成严重影响，近些年发生的几次海上原油泄露事故对海洋生态环境也造成了长期的影响与破坏。

当前，困扰泄露原油相处理的原因之一在于其本身的高粘度，这导致原油本身的流动性较差，进而影响收集效率，此外，相对于目前采用的一些诸如原位燃烧的方式，会对水体环境造成污染，同时造成一定的资源浪费。因此，能够对原油相进行选择性地高效收集，是目前亟待解决的问题之一。另一方面的问题在于，尽管之前已经有所报导可用于原油吸附的材料，但是这些材料普遍造成成本高、环境相容性差，同时不能够保证足够的机械性能与避免对环境的二次污染，因此，开发新型吸附材料也是需要解决的另一问题。

图1. (a) 自然生长木材与光照驱动蒸发过程。(b) 由木材制备光热木材气凝胶过程示意。(c) 光热木材气凝胶原位还原氧化石墨烯光热转换过程示意。(d) 光热木材海绵的孔道困光效应与毛细力诱导原油吸附过程示意。(e) 光热诱导的原油吸附过程与原油挤压再生过程。

基于上述实际应用需求与当前研究存在的问题，研究人员利用天然木材的多孔排列结构，通过选择性去除木质素、半纤维素等组分，原位辅助修饰光热材料与透明疏水材料后，制备得到了具有天然木材衍生结构的可压缩回弹光热气凝胶材料；其能够通过与高粘度原油相接触，将光热转换的热能定向传导到高粘度原油相界面处，利用原油粘度随温度升高而降低的响应特性，增加原油流动性，再利用天然木材气凝胶材料的孔道毛细力作用将对流动原油性进行收集，材料最终能够对流动原油相实现0.801 g·cm^-3的饱和吸附量。此外，透明疏水涂层也保证了材料对油相的选择性吸附，同时能够实现对不同温度下原油相的智能性浸润效果。得益于其可压缩循环再生的特殊结构，吸附的原油能够通过简单的机械挤压法收集，同时吸附材料能够重复利用。

图2. (a, b) 木材气凝胶与光热木材气凝胶沿木材横切面与纵切面的外观形貌与扫描电镜微观形貌。(c) 制备材料与材料制备中间体的红外谱图。(d) 氧化石墨烯与还原氧化石墨烯的拉曼谱图。(e) 氧化石墨烯与还原氧化石墨烯的高分辨透射电镜形貌。(f) 制备材料与材料制备中间体的增材质量变化。(g, h) 光热木材气凝胶沿木材横切面与纵切面的Si元素能谱图。(i-l) 光热木材气凝胶的XPS能谱图。

图3. (a, b) 原油与水在80 ℃时在光热木材气凝胶表面的浸润性。(c, d) 原油与水在30 ℃时在光热木材气凝胶表面的浸润性。(e) 材料各测试面示意图。(f) 材料各测试面水相浸润接触角。(g, h) 油相在材料沿木材横切面与纵切面的浸润过程。(i) 材料在水下形成疏水空气膜效果示意。

为了说明利用光热木材气凝胶进行原位光热转换诱导原油吸附过程的有效性与可能性机制，研究人员通过将实际测试与物理场仿真模拟相结合的手段对此进行了说明，发现得益于光热木材气凝胶各向异性的热传导能力，在模拟光源照射下，热能能够有效且方向可控地传递至与材料接触的原油相界面，进而继续传导至周边原油相，温度升高的原油相从而被吸附到材料内，温度相对较低的原油相则被继续加热，这种连续的过程也保证了主动收集方式的可行性，模拟结果显示的目标区域温升结果也与实际测试结果高度一致，说明所提出的这种梯度热值传导机制的合理性。

图4. (a) 原油粘度随温度变化曲线。(b) 材料吸光度。(c) 材料热导率。(d) 材料光热温升曲线。(e) 光热诱导原油吸附过程示意图。(f) 光热诱导原油吸附温升阶段。(g, h) 光热诱导原油吸附相邻相关区域温升曲线。(i, j) 吸附原油在光照与无光照情况下的泄漏情况。

图5. (a) 模拟结果显示的光热木材气凝胶上表面终态温度分布。(b) 空气-原油相温度变化的模拟结果。(c) 模拟结果显示的光热诱导原油吸附阶段。(d) 模拟结果显示的光热木材气凝胶孔道内吸附原油的温度变化。

此外，为了说明光热木材气凝胶在原油吸附挤压再生过程中材料结构的影响，研究人员通过合理简化材料结构单元，通过物理场仿真模拟的手段模拟了其在未吸附原油与饱和吸附原油时，不同压缩量下的结构受力变形情况，发现在由原始木材转变为木材气凝胶后，由于层叠状排列的结构，其所受的压缩应力更为分散均匀，同时保证了材料结构的稳定性与耐用性。

图6. (a) 原油吸附与挤压循环再生过程示意。(b) 原始木材、木材气凝胶与光热木材气凝胶的压缩循环曲线。(c) 光热木材气凝胶循环吸附原油相的质量变化。(d, e) 光热木材气凝胶沿木材横切面与纵切面的重物压缩效果示意。(f) 光热木材气凝胶沿木材纵切面的压缩失效曲线。(g, h) 光热木材气凝胶沿木材横切面在不同压缩形变量下的压缩曲线与循环后样品压缩曲线。(i, j) 模拟结果显示的内部未填充原油与填充原油的光热木材气凝胶的压缩受力云图。(k) 模拟结果显示的不同压缩量下内部为填充与填充原油相光热木材气凝胶在不同压缩量下的压缩应力。

研究人员同时还对材料实际使用的稳定性进行了测试，发现在吸附循环10次的基础之上，材料的饱和吸附量与表面疏水性并未发生明显的衰减；同时为了应对实际开采原油相中的复杂组成，例如二次原油开采过程中需要添加部分表面活性剂，研究人员对三种不同浓度下的表面活性剂对材料表面浸润性的影响也进行了测试，发现材料本身同时也对常见类型的表面活性剂具有良好的阻抗作用，能够很好地应对实际应用中的各种需求。

图7. (a) 光热木材气凝胶在10次吸附挤压循环后表面浸润性的变化。(b) 光热木材气凝胶对三种常见表面活性剂的不同浓度水溶液的浸润性变化。

上述工作近期以“Natural Sponge-like Wood-Derived Aerogel for Solar-Assisted Adsorption and Recovery of High-viscous Crude Oil”为题发表在Elsevier旗下杂志Chemical Engineering Journal，该论文第一作者为东北林业大学材料学院2018级硕士研究生晁伟翔，东北林业大学材料学院王成毓教授与哈尔滨工业大学环境学院贺诗欣教授为该论文共同通讯作者，澳大利亚阿德莱德大学王少彬教授对本文工作提供了部分指导意见。该工作受到国家自然科学基金项目支持。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720319938

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