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      寧波材料所在海洋超疏水超親油油水分離材料與應用關鍵技術方面取得進展
      作者:,日期:2018-10-18

        海洋資源開采與運輸日趨頻繁,由此帶來的海洋事故與海洋污染也越來越嚴重,如海洋溢油事件,給環境和經濟帶來巨大的損失。日趨頻繁的海洋運輸、油氣開采活動,也使得海洋石油泄漏等突發事件發生頻率越來越高。近些年,石油泄漏事件給海洋生態帶來的巨大的危害。“埃克森·瓦爾迪茲號”油輪泄漏、美國墨西哥灣原油泄漏等事故,導致的損失高達數百億美元;大連新港油罐區原油泄漏、蓬萊油田溢油事故對海洋生態環境造成嚴重的污染損害,損失達數十億人民幣。

        海洋超浸潤油水分離材料設計技術

        溢油事件發生后,對溢油的快速處置是降低災害的重要途徑;而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。由于溢油容易擴散、揮發,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、吸油率高、吸水率低、對薄油層吸附能力強等特征。

        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微結構及低表面能分子膜。基于此,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,同時由于表面微納結構導致的毛細作用力,使得其對薄油層的吸附能力大大增強。

        然而,構造微納結構與低表面能,通常需要較高的成本、微納結構的強度相對較低、且低成本大面積生產相對困難。為解決這些問題,實現高效、快速的溢油應急處理,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制了系列親油疏水材料,并基于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(Chemical Communications, 2013, 49: 2424-2426;ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6: 1053-1060;RSC Advances, 2015, 5: 27242-27248),研制了系列親油疏水金屬和高分子材料(ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7: 26184-26194; Polymer Chemistry, 2014, 5: 5942-5948;Journal of Colloid and Interface Science, 2018, 526: 106-113; 專利CN201310703409.5、CN201510392570.4),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;針對分散在水中的乳化油,研制了疏油親水乳化油分離材料(Green Chemistry, 2015, 17: 3093-3101、專利CN201410778473.4)。此外,為適應苛刻的海洋環境,研制了高耐蝕涂層(RSC Advances, 2016, 6: 40641-40649)。

              海洋超浸潤油水分離材料規模化生產

        目前,相關技術及生產線已經轉移給上海儀耐新材料科技有限公司,公司在上海奉賢、山東東營建立了兩個生產基地,形成日產60000平米生產規模,其中單條生產線的生產效率最高達200平米/小時。基于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。產品在勝利油田、中石化、中石油、中船重工等相關企業進行儲備與廣泛應用。2016年相關產品的銷售規模達到1500多萬元,2017年相關產品銷量達到2500萬元以上。

        海洋超浸潤油水分離智能裝備系統

        基于研制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,并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。由于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,因此該系統采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。材料吸附油漬后,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,最后運至儲油船,吸附材料外層采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后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。

       

      圖1 親油疏水金屬網結構與性能

      圖2 親油疏水及親水疏油多孔海綿結構與性能

      圖3 東營生產基地及成品材料

      圖4 智能海洋溢油應急裝備系統示意圖

        (表面事業部 王剛 曾志翔)

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