石油有著“黑色黃金”、“現(xiàn)代工業(yè)的血液”的美譽(yù)，在現(xiàn)代工業(yè)及能源中扮演著重要的角色。然而，近些年隨著海洋資源開采與運(yùn)輸?shù)娜遮咁l繁，海洋石油泄漏等突發(fā)事件發(fā)生頻率越來(lái)越高，由此帶來(lái)的海洋環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)損失也越來(lái)越嚴(yán)重，如“?？松?bull;瓦爾迪茲號(hào)”油輪泄漏、美國(guó)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(jīng)濟(jì)損失而且對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境也造成嚴(yán)重的破壞。

海洋溢油應(yīng)急處理方法

圖1 海洋溢油應(yīng)急處理方法及主要問題

溢油事件發(fā)生后，一般采取先圍控，限制溢油的擴(kuò)散，然后通過(guò)物理、化學(xué)、生物等方法進(jìn)行處理（圖1）。

物理方法中利用吸附材料對(duì)溢油進(jìn)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(guò)毛細(xì)作用力可將溢油吸附并存儲(chǔ)在材料的孔洞中，經(jīng)過(guò)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(wú)機(jī)多孔吸附材料，如珍珠巖、黏土、沸石；天然有機(jī)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。由于溢油容易擴(kuò)散、揮發(fā)，且在海浪作用下容易乳化，因此，用于溢油處置的吸附材料必須具備吸油速率快、吸油倍率高、吸水率低等特征。

但是，這些傳統(tǒng)的吸附材料油水選擇性差，吸油的過(guò)程中吸水；對(duì)高粘度油吸油速率慢，效率低，制約了吸附材料在溢油應(yīng)急中的應(yīng)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(yīng)該只吸油不吸水，如何實(shí)現(xiàn)吸附材料只吸油不吸水，還要從固體表面潤(rùn)濕性談起。

我們利用接觸角θ來(lái)評(píng)價(jià)液體能否在固體表面鋪展。在空氣中，將一液滴置于理想固體表面（固體表面絕對(duì)光滑、性質(zhì)均一），接觸角θ（圖2）是固-氣-液這個(gè)系統(tǒng)能量最低時(shí)，固-氣界面與液-氣界面之間所形成的夾角，1805年由英國(guó)物理學(xué)家T.Young 提出。可以根據(jù)液體接觸角判斷液體在固體表面的潤(rùn)濕性，通常以90°為界，θ>90°為疏液（液體不能在固體表面自發(fā)鋪展），θ<90°為親液（液體能夠在固體表面自發(fā)鋪展）。

所以吸附材料不吸水只吸油需要盡可能大的提高材料對(duì)水的接觸角而降低對(duì)油的接觸角，即提高材料的疏水性與親油性。如何設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

圖3 鵝與鴨子羽毛的結(jié)構(gòu)

圖4 超疏水表面示意圖

近年來(lái)興起的仿生技術(shù)為溢油處置吸附材料的發(fā)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?yàn)檫@些動(dòng)物羽毛表面具有獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)（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(gòu)成的表面上趨于收縮成球狀；另一方面微納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與低表面能分子的協(xié)同作用下，水滴在這個(gè)表面接觸角大于150°并且在很小的傾斜角度（小于10°）下便可以滾動(dòng)，這就是所說(shuō)的超疏水狀態(tài)。而由于油的表面張力（γlv = 20-30 mNm^-1）遠(yuǎn)小于水的表面張力（γlv = 72.1 mN m^-1），因而能夠自發(fā)潤(rùn)濕眾多表面表現(xiàn)出超親油狀態(tài)（油接觸角小于10°）。

因此，通過(guò)表面微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和低表面處理，可有效提高吸油材料吸油、憎水性，同時(shí)由于表面微納結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的毛細(xì)作用力，使得其對(duì)油層的吸附能力大大增強(qiáng)。

海洋超疏水-超親油油水分離材料研究及規(guī)模化生產(chǎn)

圖5 超疏水-超親油溢油吸附材料及規(guī)?；a(chǎn)

日前，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋環(huán)境材料團(tuán)隊(duì)研制了系列超疏水-超親油材料，基于這些材料開發(fā)新型智能溢油應(yīng)急裝置。

通過(guò)對(duì)材料的孔徑控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及表面能調(diào)控，研制了超疏水-超親油金屬和高分子材料，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)水上原油、重油、輕油、柴油、汽油、有機(jī)化學(xué)液體及水下有機(jī)化學(xué)液體等的高效吸附與回收。此外，為適應(yīng)苛刻的海洋環(huán)境，研制了高耐蝕涂層。

目前，相關(guān)技術(shù)及生產(chǎn)線已經(jīng)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，在上海奉賢、山東東營(yíng)建立了兩個(gè)生產(chǎn)基地，形成日產(chǎn)60000平米生產(chǎn)規(guī)模。基于本技術(shù)開發(fā)了超疏水吸油氈材料、超疏水三維織物材料、超疏水網(wǎng)材料、高性能圍油欄材料、水下有機(jī)物吸附材料等系列產(chǎn)品。

海洋超浸潤(rùn)油水分離智能裝備系統(tǒng)

圖6 海洋超浸潤(rùn)油水分離智能裝備系統(tǒng)示意圖

基于研制的吸油網(wǎng)和吸油多孔材料，海洋環(huán)境材料團(tuán)隊(duì)正在聯(lián)合上海北斗產(chǎn)業(yè)園區(qū)相關(guān)企業(yè)開發(fā)5萬(wàn)平方米的智能海洋溢油應(yīng)急裝備系統(tǒng)。

該智能溢油應(yīng)急系統(tǒng)能夠利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)，通過(guò)溢油海域圖像處理系統(tǒng)檢測(cè)溢油事件。當(dāng)發(fā)現(xiàn)溢油時(shí)，系統(tǒng)會(huì)選擇相應(yīng)溢油回收裝置，并自動(dòng)指揮無(wú)人船及溢油回收裝置前往溢油事故地點(diǎn)，進(jìn)行海域溢油事故的處理。由于親油疏水材料的超疏水特性，其在水面中拖行時(shí)具有極低的阻力，因此該系統(tǒng)采用兩艘無(wú)人船將吸附材料高速拖行至溢油事故地點(diǎn)。

吸附材料內(nèi)置仿生吸油管道、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體、管道泵、兩級(jí)提純系統(tǒng)、在線油含量檢測(cè)系統(tǒng)。材料吸附油漬后，通過(guò)管道泵，逐級(jí)進(jìn)入提純儲(chǔ)油囊，利用儲(chǔ)油囊中的超疏油-超親水材料，對(duì)油進(jìn)行逐級(jí)分離與提純，最后運(yùn)至儲(chǔ)油船，吸附材料外層采用網(wǎng)狀柔性纖維結(jié)構(gòu)，防止波浪打散或損壞材料，在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)吸油后的海水進(jìn)行在線檢查，檢查海域水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)，如果海域水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)將再次進(jìn)行清理。

該研究成果有望在溢油事件發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)溢油的快速、高效處理與回收。

轉(zhuǎn)自中科院之聲