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隨着海上運輸業的迅速發展，原油和有機溶劑泄漏事故頻繁發生，給環境造成了嚴重的污染。大面積的油污覆蓋在海面上，會導致海域中的生物因缺氧而大量死亡，破壞海洋生態環境，同時油類污染物中的有毒化學物質會在生物體中逐漸積累，最終也會對人體健康造成危害。如何清除海面上的原油和有機溶劑成為一個具有挑戰性的問題。聚氨酯泡沫作為一種三維多孔結構材料在吸油方面具有廣泛的應用，目前對於聚氨酯泡沫在吸油方面的研究主要集中在商用泡沫的表面改性。而合成商用聚氨酯泡沫的原料來源於石油資源，不具備綠色環保的特性。因此，開發一種生物質來源且高性能的吸油材料至關重要。

近日，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，在木質素基聚氨酯吸附劑用於治理海上油污泄露方面取得了相關進展（Chem. Eng. J. 2021, 415, 128956; ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 2848-2858; J. Water Process. 2022, 46, 102643）。

團隊首先採用一步法製備了碳納米管複合的木質素基聚氨酯原油吸附泡沫用於高效原油回收（圖1），該吸附劑採用傳統聚氨酯發泡工藝，製備方法簡單。製備出的泡沫在一個太陽光照（1000W/m2）下，表面溫度能夠高達90℃，在6min內實現自身6倍以上質量的原油回收，並且能夠在鹼性環境下實現降解，做到綠色材料用於綠色工程。（Chem. Eng. J. 2021, 415, 128956）

圖1碳納米管複合的木質素基聚氨酯泡沫用於高效光熱輔助原油回收


接着，團隊與先進能源材料工程實驗室黃慶研究員合作，將分散性更好、光熱轉化效率更高且具有可降解性的MXenes納米片引入泡沫基體中（圖2）。結果發現，生物基複合聚氨酯泡沫具有良好的光熱轉換能力（50.1%）。其在一個太陽光照（1000W/m2）下，表面最高溫能夠達到83℃，從而實現對粘稠原油的高效回收。更值得一提的是，該材料在廢棄後能夠在0.5mol/L的氫氧化鈉/甲醇混合溶液中降解，且降解後的殘留物主要是對環境無害的含有二氧化鈦和碳的物質。（ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 2848-2858）

圖2 含有可降解的Ti3C2Tx MXene納米片的木質素基聚氨酯光熱泡沫用於快速清除原油



在此基礎上團隊又開發了一種新型適用於多種複雜環境的超疏水磁性木質素基聚氨酯泡沫（圖3），由於其在太陽光下可以藉助光熱輔助原油回收、在無太陽光狀態下能夠通過超疏水的表面性質實現常規油水分離而具有全天候油水分離的特性。通過硅烷的表面修飾使其具有超疏水性，水接觸角高達156°。四氧化三鐵納米顆粒的引入賦予泡沫優異的光熱性能和磁性能，在一個太陽光照（1000W/m2）下，泡沫表面最高溫度能達到66.5℃，對原油的吸附容量為4.89g/g。同時由於四氧化三鐵的存在，泡沫具有良好的磁性能，飽和磁化強度為5.48emu/g，該吸附劑可以利用磁場進行驅動和回收。（J. Water Process. 2022, 46, 102643）

圖3超疏水磁性木質素基聚氨酯泡沫用於重油吸附和高效油水分離

綜上所述，經過生物基高分子團隊的設計研發木質素基聚氨酯泡沫複合材料在有機溶劑泄露或原油回收環境治理方面具有非常優異的性能，並且使用後能夠通過簡單的方法實現降解，把對環境的污染程度降到最低。該工作不僅為木質素基聚氨酯泡沫的應用找到出口，也為今後生物基高分子材料的應用提供了一種思路。

相關成果

Chemical Engineering Journal
Mechanically robust, solar-driven, and degradable lignin-based polyurethane adsorbent for efficient crude oil spill remediation
DOI: 10.1016/j.cej.2021.128956
文章鏈接: https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128956


ACS Applied Nano Materials
Degradable Ti3C2Tx MXene Nanosheets Containing a Lignin Polyurethane Photothermal Foam (LPUF) for Rapid Crude Oil Cleanup
DOI: 10.1021/acsanm.1c04556
文章鏈接: https://doi.org/10.1021/acsanm.1c04556


Journal of Water Process Engineering
One-step foam assisted synthesis of robust superhydrophobic lignin-based magnetic foams for highly efficient oil-water separation and rapid solar-driven heavy oil removal
DOI: 10.1016/j.jwpe.2022.102643
文章鏈接: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.102643


項目支持

國家重點研發計劃
2017YFE0102300
OCE項目
#29983（加拿大）
國家自然科學基金
51902319，31901263
寧波市公益類科技計劃項目
202002N3127

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