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中科院开发新型气凝胶 为提高水中油污处理效率提供新材料-岩拓气凝胶

中科院开发新型气凝胶 为提高水中油污处理效率提供新材料

5月21日,记者了解到,中国科学院城市环境研究所城市污染物转化重点实验室郑煜铭研究团队利用新型静电纺-支撑体分散液接收技术,以界面化学相关理论为基础,开发出了一种性能优异的碳纳米纤维/氧化石墨烯复合气凝胶(CNF/GOAs)。CNF/GOAs展现出高吸油容量(自重的120-286倍),其内部为一维碳纳米纤维与二维氧化石墨烯片层组装形成开孔网络,具有优异的机械性能,可通过直接燃烧或机械挤压的方式循环利用。该研究为提高水中油污处理效率提供了新材料,也为三维纳米纤维微观结构设计与调控提供了新思路。

2017年6月,印度洋发生一起重大溢油事故,一艘载有5000多吨原油的油轮沉没,再次凸显了制定有效控制溢油事故的紧迫性。石油泄漏会严重影响人类和环境,到目前为止,已经开发了许多溢油修复技术,如油栅、撇油器、吸油剂、扩散、燃烧和生物降解等。与其他技术相比,物理吸附法被认为是最简单、最经济的方法,在应急处理中可以快速清除溢油,对环境的影响较小。然而,聚丙烯等工业吸油剂的吸油能力和选择性普遍较差。

许多研究者致力于设计具有高吸收率和高选择性的理想溢油吸附剂。其中,碳基气凝胶因其超低密度、高孔隙率而受到广泛关注。生物炭气凝胶(CAs)虽然相对便宜、环保,但往往具有较低的吸附能力和较差的机械强度。为了提高其机械强度,通常将单层石墨烯(具有独特的二维(2D)结构)加入CNT基气凝胶中。由于组装三维气凝胶结构需要较高的堆积密度,大量消耗碳纳米管和石墨烯显著增加了生产成本。目前,三维静电纺丝纳米纤维气凝胶的制备受到了广泛的关注,但制备过程繁琐,制备条件严格。因此,迫切需要一种更简便的方法来构建基于电纺纳米纤维的CAs。

石油化工是我国重要的支柱型产业,在国民经济发展中起着重要作用;但是在石油开采、运输、炼制等过程中引发的溢油事故会给水生态环境以及人类健康带来严重危害;溢油事故的主要处理方法中物理吸收法因其操作简单、二次污染小、能快速转移水面油污等优势,已得到广泛应用;但目前使用商用吸油毡存在吸收容量较低、选择性较差、不易回收等不足;因此,开发具有高吸收容量和可再生使用的吸油材料有重要意义。

石油污染将严重影响水环境的健康,有必要设计具有较大吸收能力和高选择性的理想吸油剂来有效净化受污染的水。为吸收石油而制备高性能的碳气凝胶已引起越来越多的关注,但挑战依然存在。本文介绍了一种简单的机械强度增强三维(3d)纳米纤维气凝胶的制备方法,主要是通过支持剂液体辅助收集-电纺技术,根据液-固界面理论,采用浸渍法测量纳米纤维的浸渍能力。尤其是电纺聚丙烯腈(pan)纳米纤维(nfs)直接收集在石墨烯氧化物(go)水分散体中,在电纺过程中连续的纤维骨架与二维(2d)go片组装在一起形成开放的多孔网络,基本上避免了以前使用的繁琐的制备步骤(纳米纤维膜切割和再交联)。由于开放的多孔网络保证了气凝胶的结构稳定性,气凝胶堆积过程中所需的进料量大大降低,在后续的冷冻干燥过程中对预冻温度和预冻方式没有严格的要求。此外,在热处理pan nf/go复合气凝胶之后,获得了蓬松的碳纳米纤维/go气凝胶(cnf/goas),显示出超低密度(2-3mg/ml)和极大的压缩性(80%)。在蒸汽沉积对聚二甲基硅氧烷进行疏水性改性后,CNF/goas对多种油具有较高的吸收能力(120–286 wt/wt)。由于防火性能好,弹性大,只需通过燃烧或机械挤压即可回收,经过10个循环仍具有较大的吸收能力,可大规模应用。

中科院开发新型气凝胶 为提高水中油污处理效率提供新材料

相关研究成果以Facile synthesis of electrospun carbon nanofiber/graphene oxide composite aerogels for high efficiency oils absorption 为题发表于Environment International, 128, 37-45。城市环境所硕士生林英正为第一作者,研究员郑煜铭为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金面上项目(51578525)的资助。

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