隨著海上運輸業(yè)的迅速發(fā)展，原油和有機溶劑泄漏事故頻繁發(fā)生，給環(huán)境造成了嚴重的污染。大面積的油污覆蓋在海面上，會導致海域中的生物因缺氧而大量死亡，破壞海洋生態(tài)環(huán)境，同時油類污染物中的有毒化學物質(zhì)會在生物體中逐漸積累，最終也會對人體健康造成危害。如何清除海面上的原油和有機溶劑成為一個具有挑戰(zhàn)性的問題。聚氨酯泡沫作為一種三維多孔結構材料在吸油方面具有廣泛的應用，目前對于聚氨酯泡沫在吸油方面的研究主要集中在商用泡沫的表面改性。而合成商用聚氨酯泡沫的原料來源于石油資源，不具備綠色環(huán)保的特性。因此，開發(fā)一種生物質(zhì)來源且高性能的吸油材料至關重要。
圖1 碳納米管復合的木質(zhì)素基聚氨酯泡沫用于高效光熱輔助原油回收
圖2 含有可降解的Ti3C2Tx MXene納米片的木質(zhì)素基聚氨酯光熱泡沫用于快速清除原油
圖3 超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫用于重油吸附和高效油水分離
近日，中國科學院寧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顏寧教授團隊合作，在木質(zhì)素基聚氨酯吸附劑用于治理海上油污泄露方面取得了相關進展（Chem. Eng. J. 2021, 415, 128956; ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 2848-2858; J. Water Process. 2022, 46, 102643）。
團隊首先采用一步法制備了碳納米管復合的木質(zhì)素基聚氨酯原油吸附泡沫用于高效原油回收（圖1），該吸附劑采用傳統(tǒng)聚氨酯發(fā)泡工藝，制備方法簡單。制備出的泡沫在一個太陽光照（1000W/m2）下，表面溫度能夠高達90℃，在6min內(nèi)實現(xiàn)自身6倍以上質(zhì)量的原油回收，并且能夠在堿性環(huán)境下實現(xiàn)降解，做到綠色材料用于綠色工程。（Chem. Eng. J. 2021, 415, 128956）
接著，團隊與先進能源材料工程實驗室黃慶研究員合作，將分散性更好、光熱轉(zhuǎn)化效率更高且具有可降解性的MXenes納米片引入泡沫基體中（圖2）。結果發(fā)現(xiàn)，生物基復合聚氨酯泡沫具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力（50.1%）。其在一個太陽光照（1000W/m2）下，表面最高溫能夠達到83℃，從而實現(xiàn)對粘稠原油的高效回收。更值得一提的是，該材料在廢棄后能夠在0.5mol/L的氫氧化鈉/甲醇混合溶液中降解，且降解后的殘留物主要是對環(huán)境無害的含有二氧化鈦和碳的物質(zhì)。（ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 2848-2858）
在此基礎上團隊又開發(fā)了一種新型適用于多種復雜環(huán)境的超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫（圖3），由于其在太陽光下可以借助光熱輔助原油回收、在無太陽光狀態(tài)下能夠通過超疏水的表面性質(zhì)實現(xiàn)常規(guī)油水分離而具有全天候油水分離的特性。通過硅烷的表面修飾使其具有超疏水性，水接觸角高達156°。四氧化三鐵納米顆粒的引入賦予泡沫優(yōu)異的光熱性能和磁性能，在一個太陽光照（1000W/m2）下，泡沫表面最高溫度能達到66.5℃，對原油的吸附容量為4.89g/g。同時由于四氧化三鐵的存在，泡沫具有良好的磁性能，飽和磁化強度為5.48emu/g，該吸附劑可以利用磁場進行驅(qū)動和回收。（J. Water Process. 2022, 46, 102643）
綜上所述，經(jīng)過生物基高分子團隊的設計研發(fā)木質(zhì)素基聚氨酯泡沫復合材料在有機溶劑泄露或原油回收環(huán)境治理方面具有非常優(yōu)異的性能，并且使用后能夠通過簡單的方法實現(xiàn)降解，把對環(huán)境的污染程度降到最低。該工作不僅為木質(zhì)素基聚氨酯泡沫的應用找到出口，也為今后生物基高分子材料的應用提供了一種思路。
以上工作成果得到國家重點研發(fā)計劃（2017YFE0102300)，OCE項目#29983（加拿大），國家自然科學基金（51902319，31901263），寧波市公益類科技計劃項目（202002N3127）等的資助。
|
