中科院開發新型氣凝膠 為提高水中油污處理效率提供新材料

5月21日,記者瞭解到,中國科學院城市環境研究所城市污染物轉化重點實驗室鄭煜銘研究團隊利用新型靜電紡-支撐體分散液接收技術,以界面化學相關理論為基礎,開發出瞭一種性能優異的碳納米纖維/氧化石墨烯復合氣凝膠(CNF/GOAs)。CNF/GOAs展現出高吸油容量(自重的120-286倍),其內部為一維碳納米纖維與二維氧化石墨烯片層組裝形成開孔網絡,具有優異的機械性能,可通過直接燃燒或機械擠壓的方式循環利用。該研究為提高水中油污處理效率提供瞭新材料,也為三維納米纖維微觀結構設計與調控提供瞭新思路。

2017年6月,印度洋發生一起重大溢油事故,一艘載有5000多噸原油的油輪沉沒,再次凸顯瞭制定有效控制溢油事故的緊迫性。石油泄漏會嚴重影響人類和環境,到目前為止,已經開發瞭許多溢油修復技術,如油柵、撇油器、吸油劑、擴散、燃燒和生物降解等。與其他技術相比,物理吸附法被認為是最簡單、最經濟的方法,在應急處理中可以快速清除溢油,對環境的影響較小。然而,聚丙烯等工業吸油劑的吸油能力和選擇性普遍較差。

許多研究者致力於設計具有高吸收率和高選擇性的理想溢油吸附劑。其中,碳基氣凝膠因其超低密度、高孔隙率而受到廣泛關註。生物炭氣凝膠(CAs)雖然相對便宜、環保,但往往具有較低的吸附能力和較差的機械強度。為瞭提高其機械強度,通常將單層石墨烯(具有獨特的二維(2D)結構)加入CNT基氣凝膠中。由於組裝三維氣凝膠結構需要較高的堆積密度,大量消耗碳納米管和石墨烯顯著增加瞭生產成本。目前,三維靜電紡絲納米纖維氣凝膠的制備受到瞭廣泛的關註,但制備過程繁瑣,制備條件嚴格。因此,迫切需要一種更簡便的方法來構建基於電紡納米纖維的CAs。

石油化工是我國重要的支柱型產業,在國民經濟發展中起著重要作用;但是在石油開采、運輸、煉制等過程中引發的溢油事故會給水生態環境以及人類健康帶來嚴重危害;溢油事故的主要處理方法中物理吸收法因其操作簡單、二次污染小、能快速轉移水面油污等優勢,已得到廣泛應用;但目前使用商用吸油氈存在吸收容量較低、選擇性較差、不易回收等不足;因此,開發具有高吸收容量和可再生使用的吸油材料有重要意義。

石油污染將嚴重影響水環境的健康,有必要設計具有較大吸收能力和高選擇性的理想吸油劑來有效凈化受污染的水。為吸收石油而制備高性能的碳氣凝膠已引起越來越多的關註,但挑戰依然存在。本文介紹瞭一種簡單的機械強度增強三維(3d)納米纖維氣凝膠的制備方法,主要是通過支持劑液體輔助收集-電紡技術,根據液-固界面理論,采用浸漬法測量納米纖維的浸漬能力。尤其是電紡聚丙烯腈(pan)納米纖維(nfs)直接收集在石墨烯氧化物(go)水分散體中,在電紡過程中連續的纖維骨架與二維(2d)go片組裝在一起形成開放的多孔網絡,基本上避免瞭以前使用的繁瑣的制備步驟(納米纖維膜切割和再交聯)。由於開放的多孔網絡保證瞭氣凝膠的結構穩定性,氣凝膠堆積過程中所需的進料量大大降低,在後續的冷凍幹燥過程中對預凍溫度和預凍方式沒有嚴格的要求。此外,在熱處理pan nf/go復合氣凝膠之後,獲得瞭蓬松的碳納米纖維/go氣凝膠(cnf/goas),顯示出超低密度(2-3mg/ml)和極大的壓縮性(80%)。在蒸汽沉積對聚二甲基矽氧烷進行疏水性改性後,CNF/goas對多種油具有較高的吸收能力(120–286 wt/wt)。由於防火性能好,彈性大,隻需通過燃燒或機械擠壓即可回收,經過10個循環仍具有較大的吸收能力,可大規模應用。

中科院開發新型氣凝膠 為提高水中油污處理效率提供新材料

相關研究成果以Facile synthesis of electrospun carbon nanofiber/graphene oxide composite aerogels for high efficiency oils absorption 為題發表於Environment International, 128, 37-45。城市環境所碩士生林英正為第一作者,研究員鄭煜銘為通訊作者。該研究得到國傢自然科學基金面上項目(51578525)的資助。

中科院開發新型氣凝膠 為提高水中油污處理效率提供新材料

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