全球工業化加速增加了各國對石油的需求，同時，全球石油資源分布不均，這無疑推動了石油海運業的蓬勃發展。由于天氣、海洋環境以及運輸過程中管理不善等原因，溢油事故頻發。頻繁的石油泄漏不僅危害海洋環境，破壞生態系統平衡，還造成嚴重的經濟損失和資源浪費。可以實現吸附和回收石油而不造成二次污染的疏水吸附劑是修復水中石油污染的理想選擇。然而，低流速、高粘度的原油在室溫下的擴散系數很低，這些復合材料對于原油泄漏的清理是低效的。可以通過提高原油的溫度以降低其粘度，從而促進石油擴散到多孔吸附劑中。從這個角度來看，具有自加熱特性的疏水性多孔吸附劑為處理高粘度原油提供了一種有前途的選擇。此類吸附劑通常通過光熱轉換和/或焦耳熱轉換實現自加熱，從可持續發展的角度考量，借助太陽光實現光熱轉換比通過外接電源實現焦耳熱轉換更可靠。
為了實現有效的光熱轉換以應對高粘度原油泄漏，東北林業大學張彥華教授級高級實驗師團隊以木氣凝膠（wood aerogel，WA）為基材，設計了一種太陽能輔助的自加熱超疏水吸附劑（PT-WA）。該吸附劑是以木氣凝膠為基材，通過簡單的Ti3C2Tx浸漬結合聚二甲基硅氧烷（PDMS）包覆得到的。Ti3C2Tx優異的光吸收能力和表面等離子體共振（LSPR）效應，以及木氣凝膠獨特的光陷阱（light-trapping）結構，賦予PT-WA強的光吸附能力和光熱轉換能力。當太陽光照射到PT-WA表面時，太陽光被捕獲吸收并轉化為熱量，熱量通過吸附劑迅速轉移至原油，實現自加熱以降低原油粘度并增加流動性。最終，借助源自天然木材的低彎曲度通道，可流動的原油通過被動毛細作用力被快速吸附。另外，通過整合吸附劑，太陽光模擬器以及蠕動泵，可以實現高粘度原油的連續吸附和回收。該研究以 “Solar-assisted self-heating Ti3C2Tx-decorated wood aerogel for adsorption and recovery of highly viscous crude oil”為題發表在國際著名期刊《Journal of Hazardous Materials》（IF＝10.588）上。論文的通訊作者為東北林業大學材料學院的張彥華教授級高級實驗師，第一作者為2020級博士研究生鄭丁源。該工作受到國家自然科學基金項目的支持。
圖1 PT-WA吸附劑的制備過程示意圖
圖2 輕木(BW) (a1, a2)、木氣凝膠(WA) (b1, b2)、Ti3C2Tx修飾木氣凝膠(T-WA-3) (c1, c2)、PDMS涂層Ti3C2Tx修飾木氣凝膠(PT-WA) (d1, d2)的SEM圖及其對應的EDS圖像，樣品的FTIR (e)、XPS (f)、XRD (g)譜圖。
圖3 (a)樣品的水接觸角；(b)PT-WA表面的水滴照片（被亞甲基藍染色）；(c)漂浮在水面上的PT-WA；(d)浸入水中的PT-WA的照片（銀鏡現象），(e, f, g) PT-WA、WA和T-WA在10%～50%應變范圍內的壓縮應力-應變曲線；(h)PT-WA樣品20次循環壓縮（50%應變）的應力-應變曲線。
圖4 (a) 原油粘度隨溫度變化圖；(b) PT-WA對不同溫度的原油的吸附能力；(c) PT-WA對70°C原油的循環吸附性能。
圖5 (a) PT-WA樣品在1.5 sun照射下的時間-溫度曲線；(b) PT-WA在不同太陽光強度照射下的時間-溫度曲線；(c) PT-WA在 1.5 sun照射下10次“開燈”和“關燈”循環的時間-溫度曲線；(d) PT-WA在“開燈”和“關燈”循環IR照片；(e)樣品在標準太陽光譜 (AM 1.5 G) 范圍內的UV-Vis-IR光譜；(f)、(g)、（h）PT-WA和WA的EMI屏蔽特性；(i) PT-WA的光熱轉換機制。
圖6 (a) 用于連續原油吸附回收的裝置照片；(b) PT-WA通過模擬太陽光（1.5 sun）加熱吸附原油過程的照片；(c) 太陽能輔助的高粘度原油泄露清除機制。
論文信息：
Solar-assisted self-heating Ti3C2Tx-decorated wood aerogel for adsorption and recovery of highly viscous crude oil. Dingyuan Zheng, Wenrui Yao, Ce Sun, Xiaojian Chen, Zanru Wang, Baiwang Wang, Haiyan Tan, Yanhua Zhang*. Journal of Hazardous Materials, 2022, 435, 129068.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129068
