洪恒飛 科技日報記者 江耘

大面積的油污覆蓋在海面上，成群的海洋生物深陷其中甚至缺氧死亡……隨著海上運輸業(yè)迅速發(fā)展，原油和有機溶劑泄漏事故頻繁發(fā)生，油類污染物中的有毒化學物質(zhì)會在生物體中逐漸積累，對生態(tài)環(huán)境與人體造成危害。

針對泄漏事故，目前國際通用的原油吸附泡沫，原料多來自石化資源且不可降解，與綠色環(huán)保理念并不契合。開發(fā)一種生物質(zhì)來源且高效的吸油材料，是相關領域的重要研究方向。

近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊陳景研究員和朱錦研究員與加拿大多倫多大學顏寧教授團隊合作，設計研發(fā)了一類木質(zhì)素基聚氨酯泡沫復合材料，可用于治理海上油污泄漏，還能在溫和堿性環(huán)境下無害化降解。

替換石油原料 木質(zhì)素仍有用武之地

在木本植物中，木質(zhì)素含量占到約25%，是自然界植物中含量僅次于纖維素的第二大天然有機高分子聚合物。在工業(yè)生產(chǎn)中，木質(zhì)素通常作為造紙行業(yè)的副產(chǎn)物，被燃燒或直接排放。

“當前的吸油材料大多以泡沫、氣凝膠或者多孔膜材料類的多孔材料為主。其中商用聚氨酯泡沫在油水分離中的應用特別普遍。”陳景介紹，聚氨酯材料由多元醇與異氰酸酯經(jīng)過聚加成反應得到，傳統(tǒng)聚氨酯材料所用的多元醇來源于石油，而木質(zhì)素基聚氨酯的多元醇則來源于生物質(zhì)。

是否可以將普遍被浪費的木質(zhì)素利用起來，提高聚氨酯材料的環(huán)境友好性？2019年下半年，研究團隊開始著手研發(fā)，希望通過引入木質(zhì)素，降低聚氨酯材料的成本，并且作為降解位點實現(xiàn)降解。

研究團隊首先采用一步法制備了碳納米管復合的木質(zhì)素基聚氨酯原油吸附泡沫，用于高效原油回收。其中，碳納米管起到光熱轉(zhuǎn)化材料的作用。

“所謂一步法，就是將制備好的多元醇與異氰酸酯混合，快速攪拌，倒入模具，無需維持環(huán)境條件，一步生成聚氨酯泡沫。這與傳統(tǒng)聚氨酯泡沫制備方法一致。”陳景解釋說。

常溫下原油黏度較高，類似固體，但在較高溫度下其黏度會顯著降低，有助于提高泡沫吸收速率。通過模擬海洋環(huán)境實驗，研究團隊發(fā)現(xiàn)，制備出的木質(zhì)素聚氨酯泡沫經(jīng)過一個太陽光照（輻射功率一千瓦特每平方米）后，表面溫度可高達90℃，在6分鐘內(nèi)實現(xiàn)自身6倍以上質(zhì)量的原油回收。

“通過擠壓這種泡沫，可將其吸附的油污進行回收處理再利用。”陳景表示，美中不足的是，碳納米管不可降解，還會阻礙泡沫材料的降解速率，需要對此加以完善。

添加特殊功能 新材料適用多種工況

通過與中科院寧波材料所黃慶研究員合作，研究團隊替換碳納米管，將具有可降解性、光熱轉(zhuǎn)換能力更佳的MXenes納米片引入到了泡沫基體中。

據(jù)了解，MXenes納米片能夠在熱氧環(huán)境下降解成對環(huán)境無污染的二氧化鈦等物質(zhì)，提高聚氨酯泡沫的環(huán)境友好性。

由于某些具有特殊用途的有毒油相廢液，處理人員無法接近，需要能夠精準定向進行油污吸附的材料。 基于已有的合作成果，研究團隊進一步開發(fā)，研制出了一種超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫。

“將四氧化三鐵納米顆粒引入到泡沫中，能使泡沫整體具有一定的磁性和光熱性能，而通過硅烷的表面修飾則使其具有超疏水性。”陳景解釋道，超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫在太陽光下可以借助光熱輔助原油回收，陰雨天能夠通過超疏水的表面性質(zhì)實現(xiàn)常規(guī)油水分離，實現(xiàn)24小時作業(yè)。

研究團隊經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在一個太陽光照下，超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫表面最高溫度能達到66.5℃，吸附約自身5倍質(zhì)量的原油。利用其磁性，由此制成的吸附劑可以利用磁場進行驅(qū)動和回收。

記者了解到，超疏水性的引入，對泡孔孔隙率有一定影響，相比團隊最初研制的木質(zhì)素聚氨酯泡沫，兩款泡沫在功能性和吸附量上各有所長。

除了應對海上原油泄漏，木質(zhì)素聚氨酯泡沫材料還可作為抗菌敷料、過濾材料、保溫材料、隔音吸波材料等。目前，研究團隊已與企業(yè)合作，將木質(zhì)素聚氨酯泡沫材料率先用于汽車內(nèi)飾中。

“木質(zhì)素的大量使用，使得這類泡沫制作成本非常廉價（比商用聚氨酯泡沫成本可以下降30%左右），在環(huán)保方面的優(yōu)勢相當突出。下一步，團隊將嘗試提升這類泡沫材料的吸油速率。”陳景表示，這項研究不僅為木質(zhì)素基聚氨酯泡沫的應用找到出口，也為今后生物基高分子材料的應用提供了一種思路。

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