近年來，原油或有機化學(xué)物質的洩漏已造成(chéng)嚴重的環境污染。它不僅導緻經(jīng)濟損失和石化資源的浪費，而且對(duì)濕地和海洋生态系統構成(chéng)威脅。因爲高粘度原油具有低溫性狀類似固體、高溫液态的特點，近年來利用太陽能(néng)，輔助吸熱材料，實現高效光熱轉化加速原油吸收成(chéng)爲研究熱點。當前原油吸附材料大多分爲兩(liǎng)大類，第一類是石油基商用泡沫表面(miàn)改性，這(zhè)一類吸附材料大多性能(néng)優異，但是不能(néng)兼具綠色、環保、生物質來源的特點；第二類是經(jīng)過(guò)處理或表面(miàn)修飾的天然生物質材料，這(zhè)類材料大多具有生物質來源、綠色環保的特點，但是多爲硬質易碎材料，不具備高效、高彈、可重複循環的特性。因此，制備生物質來源且性能(néng)高效的吸附材料成(chéng)爲一大挑戰。
最近，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所朱錦研究員、智能(néng)高分子團隊陳濤研究員和加拿大多倫多大學(xué)顔甯教授團隊合作，在國(guó)際期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表題爲“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爲共同一作。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128956。
該工作開(kāi)發(fā)了一種(zhǒng)木質素基聚氨酯碳納米管複合泡沫材料（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節的特性，還(hái)有部分生物質來源，能(néng)夠在特定環境下降解，實現綠色可持續發(fā)展。在此研究中，研究團隊以固态的木質素液化制得質地均勻的木質素基多元醇，進(jìn)而制得木質素基聚氨酯複合泡沫。該材料具有合适的泡孔尺寸，優異的光熱效應、原油吸附能(néng)力以及可降解性能(néng)，真正可實現綠色環保。
原油回收以及循環性能(néng)評估
原油清潔過(guò)程分爲兩(liǎng)個步驟，加熱過(guò)程和吸附過(guò)程（如圖3所示）。第0-4分鍾爲加熱過(guò)程，在這(zhè)段時間内，由于該吸附劑具有出色的光熱轉化能(néng)力，在陽光照射下，表面(miàn)溫度在2分鍾内迅速上升至77.1℃，但泡沫表面(miàn)的溫度在第4分鍾降低到74.2℃，溫度的降低是由于泡沫吸收了低粘度原油引起(qǐ)的。光照開(kāi)始後(hòu)的4-6分鍾爲吸附過(guò)程，在該過(guò)程中低粘度原油被(bèi)連續吸入泡沫，面(miàn)積不斷減小。除去泡沫後(hòu)，浮在水面(miàn)上的所有原油均被(bèi)清除。該吸附劑還(hái)具有非常好(hǎo)的彈性回複率。經(jīng)過(guò)100次反複壓縮試驗，彈性回複率仍可達到98.75％，抗壓強度爲0.072MPa。以上特性都(dōu)有利于將(jiāng)泡沫内的油擠出。因此，該吸附劑能(néng)夠用于原油的重複吸附與脫附，且飽和吸附容量爲6.34±0.27g/g。以上數據表明，該吸附劑的高光熱轉化和高回彈特性可實現原油的快速清潔和有效回收。
降解性能(néng)評估
爲了探索木質素基聚氨酯的降解能(néng)力，在堿性溶液、加熱條件下對(duì)木質素聚氨酯泡沫進(jìn)行了降解實驗（如圖4所示）。在80℃的去離子水中浸泡10h後(hòu)，形狀完全沒(méi)有變化，降解速率極低，僅爲0.58mg/h。當置于2mol/L的氫氧化鈉水溶液中時，泡沫在10h後(hòu)完全變成(chéng)碎片，溶液的顔色變爲棕色，平均降解速率爲6.25mg/h。随著(zhe)溶液堿濃度的增加，降解速率相應增加。爲了探索木質素在降解實驗中的重要性，我們使用不含木質素的聚氨酯泡沫進(jìn)行對(duì)照實驗，其在去離子水中形狀幾乎沒(méi)有變化，降解速率很低，爲0.96mg/h。在2mol/L的氫氧化鈉水溶液中，不含木質素的泡沫的形狀略有變化，質量損失很小，計算的降解速率爲2.43mg/h。含木質素的聚氨酯泡沫的降解速率比不含木質素的高約2.6倍，這(zhè)表明木質素的存在對(duì)堿降解性能(néng)具有至關重要的作用。
綜上所述，團隊研發(fā)的這(zhè)種(zhǒng)木質素基聚氨酯泡沫複合材料在原油回收環境治理方面(miàn)具有非常優異的性能(néng)，并且在使用過(guò)後(hòu)能(néng)夠通過(guò)簡單的方法實現降解，對(duì)環境的污染程度較低。木質素基聚氨酯泡沫的出現爲陽光充足的近海地區洩露原油的回收提供了一個可行方案。
該項工作得到了國(guó)家重點研發(fā)計劃-政府間國(guó)際科技創新合作重點專項（2017YFE0102300）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51503218）、甯波市自然科學(xué)基金（2019A610147）、甯波市公益類科技計劃項目（202002N3127）和國(guó)家留學(xué)基金委等項目的支持。
圖1 木質素基聚氨酯碳納米管複合泡沫材料用于原油高效清理和回收
圖2 木質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壓縮性能(néng)，原油循環吸附性能(néng)數據
圖4 該吸附材料在堿溶液中降解行爲的探究以及不含木質素聚氨酯泡沫堿溶液中降解性能(néng)對(duì)比，降解殘渣組分表征
(高分子與複合材料實驗室 陳景 馬曉振)
