海洋超疏水-超亲油油水分离材料——还你一朵清澈的浪花

石油有着“黑色黄金”、“现代工业的血液”的美誉，在现代工业及能源中扮演着重要的角色。然而，近些年随着海洋资源开采与运输的日趋频繁，海洋石油泄漏等突发事件发生频率越来越高，由此带来的海洋环境污染与经济损失也越来越严重，如“埃克森•瓦尔迪兹号”油轮泄漏、美国墨西哥湾原油泄漏、蓬莱油田溢油等事故不仅造成了巨大的经济损失而且对海洋生态环境也造成严重的破坏。

海洋溢油应急处理方法

图1 海洋溢油应急处理方法及主要问题

溢油事件发生后，一般采取先围控，限制溢油的扩散，然后通过物理、化学、生物等方法进行处理（图1）。

物理方法中利用吸附材料对溢油进行吸附、回收与再利用，是溢油处置的有效方法。溢油吸附材料一般为多孔亲油材料，通过毛细作用力可将溢油吸附并存储在材料的孔洞中，经过离心、挤压等外力可回收孔洞中吸附的溢油。

常用的吸附材料主要有：无机多孔吸附材料，如珍珠岩、黏土、沸石；天然有机材料，如木纤维、秸秆、木屑；合成吸附材料，聚丙烯纤维毡、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯纤维等。由于溢油容易扩散、挥发，且在海浪作用下容易乳化，因此，用于溢油处置的吸附材料必须具备吸油速率快、吸油倍率高、吸水率低等特征。

但是，这些传统的吸附材料油水选择性差，吸油的过程中吸水；对高粘度油吸油速率慢，效率低，制约了吸附材料在溢油应急中的应用。

如何提高吸附材料油水选择性

图2 固体表面接触角示意图

理想的溢油吸附材料应该只吸油不吸水，如何实现吸附材料只吸油不吸水，还要从固体表面润湿性谈起。

我们利用接触角θ来评价液体能否在固体表面铺展。在空气中，将一液滴置于理想固体表面（固体表面绝对光滑、性质均一），接触角θ（图2）是固-气-液这个系统能量最低时，固-气界面与液-气界面之间所形成的夹角，1805年由英国物理学家T.Young 提出。可以根据液体接触角判断液体在固体表面的润湿性，通常以90°为界，θ>90°为疏液（液体不能在固体表面自发铺展），θ<90°为亲液（液体能够在固体表面自发铺展）。

所以吸附材料不吸水只吸油需要尽可能大的提高材料对水的接触角而降低对油的接触角，即提高材料的疏水性与亲油性。如何设计这种高选择性的吸附材料呢？

海洋超疏水-超亲油油水分离材料设计

图3 鹅与鸭子羽毛的结构

图4 超疏水表面示意图

近年来兴起的仿生技术为溢油处置吸附材料的发展提供了新思路。自然界中如鸭子、鹅等的羽毛遇水而不粘水但很容易粘油，因为这些动物羽毛表面具有独特的微纳米结构（图3）及低表面能分子。

一方面低表面能分子与水的相互作用力非常低，使得水滴在低表面能分子构成的表面上趋于收缩成球状；另一方面微纳米结构可以困缚表面空气形成空气层（图4），降低固体表面与水的接触面积。在微纳米结构与低表面能分子的协同作用下，水滴在这个表面接触角大于150°并且在很小的倾斜角度（小于10°）下便可以滚动，这就是所说的超疏水状态。而由于油的表面张力（γlv = 20-30 mNm^-1）远小于水的表面张力（γlv = 72.1 mN m^-1），因而能够自发润湿众多表面表现出超亲油状态（油接触角小于10°）。

因此，通过表面微纳结构的设计和低表面处理，可有效提高吸油材料吸油、憎水性，同时由于表面微纳结构导致的毛细作用力，使得其对油层的吸附能力大大增强。

海洋超疏水-超亲油油水分离材料研究及规模化生产

图5 超疏水-超亲油溢油吸附材料及规模化生产

日前，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋环境材料团队研制了系列超疏水-超亲油材料，基于这些材料开发新型智能溢油应急装置。

通过对材料的孔径控制、结构设计及表面能调控，研制了超疏水-超亲油金属和高分子材料，分别实现对水上原油、重油、轻油、柴油、汽油、有机化学液体及水下有机化学液体等的高效吸附与回收。此外，为适应苛刻的海洋环境，研制了高耐蚀涂层。

目前，相关技术及生产线已经转移转化，在上海奉贤、山东东营建立了两个生产基地，形成日产60000平米生产规模。基于本技术开发了超疏水吸油毡材料、超疏水三维织物材料、超疏水网材料、高性能围油栏材料、水下有机物吸附材料等系列产品。

海洋超浸润油水分离智能装备系统

图6 海洋超浸润油水分离智能装备系统示意图

基于研制的吸油网和吸油多孔材料，海洋环境材料团队正在联合上海北斗产业园区相关企业开发5万平方米的智能海洋溢油应急装备系统。

该智能溢油应急系统能够利用北斗导航系统和无人机，通过溢油海域图像处理系统检测溢油事件。当发现溢油时，系统会选择相应溢油回收装置，并自动指挥无人船及溢油回收装置前往溢油事故地点，进行海域溢油事故的处理。由于亲油疏水材料的超疏水特性，其在水面中拖行时具有极低的阻力，因此该系统采用两艘无人船将吸附材料高速拖行至溢油事故地点。

吸附材料内置仿生吸油管道、网状结构体、管道泵、两级提纯系统、在线油含量检测系统。材料吸附油渍后，通过管道泵，逐级进入提纯储油囊，利用储油囊中的超疏油-超亲水材料，对油进行逐级分离与提纯，最后运至储油船，吸附材料外层采用网状柔性纤维结构，防止波浪打散或损坏材料，在线监测装置对吸油后的海水进行在线检查，检查海域水质是否达标，如果海域水质不达标，系统将再次进行清理。

该研究成果有望在溢油事件发生时实现溢油的快速、高效处理与回收。

转自中科院之声