研究團隊發(fā)現，他們制備出的木質素聚氨酯泡沫經(jīng)過(guò)一個太陽光照（輻射功率每平方米1000瓦特）後(hòu)，表面(miàn)溫度可達90℃，可在6分鍾内實現自身6倍以上質量的原油回收。
大面(miàn)積的油污覆蓋在海面(miàn)上，大量海洋生物身陷其中缺氧死亡……随著(zhe)海上運輸業迅速發(fā)展，原油和有機溶劑洩漏事(shì)故頻繁發(fā)生，對(duì)生态環境與人體造成(chéng)危害。
針對(duì)洩漏事(shì)故，目前國(guó)際通用的原油吸附泡沫，原料多來自石化資源且不可降解，與綠色環保理念并不契合。開(kāi)發(fā)一種(zhǒng)生物質來源且吸附力強的吸油材料，成(chéng)爲相關領域的重要研究方向(xiàng)。
近期，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊陳景研究員和朱錦研究員與加拿大多倫多大學(xué)顔甯教授團隊合作，設計研發(fā)了一類木質素基聚氨酯泡沫，可用于治理海上油污洩漏，還(hái)能(néng)在溫和堿性環境下無害化降解。
木質素吸附漏油更環保
在自然界的植物中，木質素是含量僅次于纖維素的第二大天然有機高分子聚合物。在木本植物中，木質素含量能(néng)占到約25%。在工業生産中，木質素通常作爲造紙行業的副産物，被(bèi)燃燒或直接丢棄。
“當前的吸油材料大多以泡沫、氣凝膠等多孔材料爲主。其中聚氨酯泡沫在油水分離中的應用特别普遍。”陳景介紹，聚氨酯材料由多元醇與異氰酸酯經(jīng)過(guò)聚加成(chéng)反應得到，傳統聚氨酯材料所用的多元醇來源于石油。
是否可以將(jiāng)普遍被(bèi)浪費的木質素利用起(qǐ)來，提高聚氨酯材料的環境友好(hǎo)性？2019年下半年，研究團隊開(kāi)始著(zhe)手研發(fā)，希望通過(guò)引入木質素，降低聚氨酯材料的成(chéng)本，并且使其實現降解。
起(qǐ)初，研究團隊采用一步法制備了碳納米管複合的木質素基聚氨酯原油吸附泡沫，用于高效原油回收。
“所謂一步法，就是將(jiāng)制備好(hǎo)的多元醇與異氰酸酯混合，快速攪拌，倒入模具，無需維持環境條件，一步生成(chéng)聚氨酯泡沫。這(zhè)與傳統聚氨酯泡沫制備方法一緻。”陳景解釋說。
常溫下原油黏度較高，類似固體，但在較高溫度下其黏度會顯著降低，有助于提高泡沫吸收速率。通過(guò)模拟海洋環境實驗，研究團隊發(fā)現，制備出的木質素聚氨酯泡沫經(jīng)過(guò)一個太陽光照（輻射功率每平方米1000瓦特）後(hòu)，表面(miàn)溫度可達90℃，可在6分鍾内實現自身6倍以上質量的原油回收。
“通過(guò)擠壓這(zhè)種(zhǒng)泡沫，可將(jiāng)其吸附的油污進(jìn)行回收處理再利用。”陳景表示，美中不足的是，碳納米管不可降解，還(hái)會阻礙泡沫材料的降解速率。
通過(guò)與中國(guó)科學(xué)院甯波材料所黃慶研究員合作，研究團隊替換碳納米管，將(jiāng)具有可降解性、光熱轉換能(néng)力更佳的MXenes納米片引入泡沫基體中。
據了解，MXenes納米片能(néng)夠在熱氧環境下降解成(chéng)對(duì)環境無污染的二氧化钛等物質，提高聚氨酯泡沫的環境友好(hǎo)性。
新材料适用多種(zhǒng)工況
由于處理人員無法接近某些具有特殊用途的有毒油相廢液，因此需要能(néng)夠精準定向(xiàng)進(jìn)行油污吸附的材料。基于已有的合作成(chéng)果，研究團隊進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，研制出了一種(zhǒng)超疏水磁性木質素基聚氨酯泡沫。
“將(jiāng)四氧化三鐵納米顆粒引入泡沫中，能(néng)使泡沫整體具有一定的磁性和光熱性能(néng)，通過(guò)矽烷的表面(miàn)修飾則使其具有超疏水性。”陳景解釋道(dào)，超疏水磁性木質素基聚氨酯泡沫在太陽光下可以借助光熱輔助原油回收，陰雨天能(néng)夠通過(guò)超疏水的表面(miàn)性質實現常規油水分離，實現24小時作業。
研究團隊經(jīng)過(guò)實驗發(fā)現，在一個太陽光照下，超疏水磁性木質素基聚氨酯泡沫表面(miàn)最高溫度能(néng)達到66.5℃，吸附約自身5倍質量的原油。由于該泡沫具有磁性，因此人們可以利用磁場對(duì)由該泡沫加工而成(chéng)的吸附劑進(jìn)行驅動和回收。
除了應對(duì)海上原油洩漏，木質素基聚氨酯泡沫還(hái)可作爲抗菌敷料、過(guò)濾材料、保溫材料、隔音吸波材料等。目前，研究團隊已與企業合作，將(jiāng)木質素基聚氨酯泡沫材料率先用于汽車内飾中。
“木質素的大量使用，使得這(zhè)類泡沫制作成(chéng)本非常低廉（較商用聚氨酯泡沫成(chéng)本下降30%左右），在環保方面(miàn)的優勢相當突出。下一步，團隊將(jiāng)嘗試提升這(zhè)類泡沫材料的吸油速率。”陳景表示，這(zhè)項研究不僅爲木質素基聚氨酯泡沫的應用找到了出口，也爲今後(hòu)生物基高分子材料的應用提供了一種(zhǒng)思路。
（原文發(fā)布于2022年4月22日《科技日報》第6版）
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