海洋超疏水-超親油油水分離材料——還你一朵清澈的浪花

石油有著「黑色黃金」、「現代工業的血液」的美譽，在現代工業及能源中扮演著重要的角色。然而，近些年隨著海洋資源開採與運輸的日趨頻繁，海洋石油泄漏等突發事件發生頻率越來越高，由此帶來的海洋環境污染與經濟損失也越來越嚴重，如「埃克森?瓦爾迪茲號」油輪泄漏、美國墨西哥灣原油泄漏、蓬萊油田溢油等事故不僅造成了巨大的經濟損失而且對海洋生態環境也造成嚴重的破壞。

海洋溢油應急處理方法

圖1 海洋溢油應急處理方法及主要問題

溢油事件發生後，一般採取先圍控，限制溢油的擴散，然後通過物理、化學、生物等方法進行處理（圖1）。

物理方法中利用吸附材料對溢油進行吸附、回收與再利用，是溢油處置的有效方法。溢油吸附材料一般為多孔親油材料，通過毛細作用力可將溢油吸附並存儲在材料的孔洞中，經過離心、擠壓等外力可回收孔洞中吸附的溢油。

常用的吸附材料主要有：無機多孔吸附材料，如珍珠岩、黏土、沸石；天然有機材料，如木纖維、秸稈、木屑；合成吸附材料，聚丙烯纖維氈、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯纖維等。由於溢油容易擴散、揮發，且在海浪作用下容易乳化，因此，用於溢油處置的吸附材料必須具備吸油速率快、吸油倍率高、吸水率低等特徵。

但是，這些傳統的吸附材料油水選擇性差，吸油的過程中吸水；對高粘度油吸油速率慢，效率低，制約了吸附材料在溢油應急中的應用。

如何提高吸附材料油水選擇性

圖2 固體表面接觸角示意圖

理想的溢油吸附材料應該只吸油不吸水，如何實現吸附材料只吸油不吸水，還要從固體表面潤濕性談起。

我們利用接觸角θ來評價液體能否在固體表面鋪展。在空氣中，將一液滴置於理想固體表面（固體表面絕對光滑、性質均一），接觸角θ（圖2）是固-氣-液這個系統能量最低時，固-氣界面與液-氣界面之間所形成的夾角，1805年由英國物理學家T.Young提出。可以根據液體接觸角判斷液體在固體表面的潤濕性，通常以90°為界，θ>90°為疏液（液體不能在固體表面自發鋪展），θ

所以吸附材料不吸水只吸油需要儘可能大的提高材料對水的接觸角而降低對油的接觸角，即提高材料的疏水性與親油性。如何設計這種高選擇性的吸附材料呢？

海洋超疏水-超親油油水分離材料設計

圖3 鵝與鴨子羽毛的結構

圖4 超疏水表面示意圖

近年來興起的仿生技術為溢油處置吸附材料的發展提供了新思路。自然界中如鴨子、鵝等的羽毛遇水而不粘水但很容易粘油，因為這些動物羽毛表面具有獨特的微納米結構（圖3）及低表面能分子。

一方面低表面能分子與水的相互作用力非常低，使得水滴在低表面能分子構成的表面上趨於收縮成球狀；另一方面微納米結構可以困縛表面空氣形成空氣層（圖4），降低固體表面與水的接觸面積。在微納米結構與低表面能分子的協同作用下，水滴在這個表面接觸角大於150°並且在很小的傾斜角度（小於10°）下便可以滾動，這就是所說的超疏水狀態。而由於油的表面張力（γlv= 20-30 mNm-1）遠小於水的表面張力（γlv= 72.1 mN m-1），因而能夠自發潤濕眾多表面表現出超親油狀態（油接觸角小於10°）。

因此，通過表面微納結構的設計和低表面處理，可有效提高吸油材料吸油、憎水性，同時由於表面微納結構導致的毛細作用力，使得其對油層的吸附能力大大增強。

海洋超疏水-超親油油水分離材料研究及規模化生產

圖5 超疏水-超親油溢油吸附材料及規模化生產

日前，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋環境材料團隊研製了系列超疏水-超親油材料，基於這些材料開發新型智能溢油應急裝置。

通過對材料的孔徑控制、結構設計及表面能調控，研製了超疏水-超親油金屬和高分子材料，分別實現對水上原油、重油、輕油、柴油、汽油、有機化學液體及水下有機化學液體等的高效吸附與回收。此外，為適應苛刻的海洋環境，研製了高耐蝕塗層。

目前，相關技術及生產線已經轉移轉化，在上海奉賢、山東東營建立了兩個生產基地，形成日產60000平米生產規模。基於本技術開發了超疏水吸油氈材料、超疏水三維織物材料、超疏水網材料、高性能圍油欄材料、水下有機物吸附材料等系列產品。

海洋超浸潤油水分離智能裝備系統

圖6 海洋超浸潤油水分離智能裝備系統示意圖

基於研製的吸油網和吸油多孔材料，海洋環境材料團隊正在聯合上海北斗產業園區相關企業開發5萬平方米的智能海洋溢油應急裝備系統。

該智能溢油應急系統能夠利用北斗導航系統和無人機，通過溢油海域圖像處理系統檢測溢油事件。當發現溢油時，系統會選擇相應溢油回收裝置，並自動指揮無人船及溢油回收裝置前往溢油事故地點，進行海域溢油事故的處理。由於親油疏水材料的超疏水特性，其在水面中拖行時具有極低的阻力，因此該系統採用兩艘無人船將吸附材料高速拖行至溢油事故地點。

吸附材料內置仿生吸油管道、網狀結構體、管道泵、兩級提純系統、在線油含量檢測系統。材料吸附油漬後，通過管道泵，逐級進入提純儲油囊，利用儲油囊中的超疏油-超親水材料，對油進行逐級分離與提純，最後運至儲油船，吸附材料外層採用網狀柔性纖維結構，防止波浪打散或損壞材料，在線監測裝置對吸油後的海水進行在線檢查，檢查海域水質是否達標，如果海域水質不達標，系統將再次進行清理。

該研究成果有望在溢油事件發生時實現溢油的快速、高效處理與回收。

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

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