全球工业化加速增加了各国对石油的需求，同时，全球石油资源分布不均，这无疑推动了石油海运业的蓬勃发展。由于天气、海洋环境以及运输过程中管理不善等原因，溢油事故频发。频繁的石油泄漏不仅危害海洋环境，破坏生态系统平衡，还造成严重的经济损失和资源浪费。可以实现吸附和回收石油而不造成二次污染的疏水吸附剂是修复水中石油污染的理想选择。然而，低流速、高粘度的原油在室温下的扩散系数很低，这些复合材料对于原油泄漏的清理是低效的。可以通过提高原油的温度以降低其粘度，从而促进石油扩散到多孔吸附剂中。从这个角度来看，具有自加热特性的疏水性多孔吸附剂为处理高粘度原油提供了一种有前途的选择。此类吸附剂通常通过光热转换和/或焦耳热转换实现自加热，从可持续发展的角度考量，借助太阳光实现光热转换比通过外接电源实现焦耳热转换更可靠。
为了实现有效的光热转换以应对高粘度原油泄漏，东北林业大学张彦华教授级高级实验师团队以木气凝胶（wood aerogel，WA）为基材，设计了一种太阳能辅助的自加热超疏水吸附剂（PT-WA）。该吸附剂是以木气凝胶为基材，通过简单的Ti3C2Tx浸渍结合聚二甲基硅氧烷（PDMS）包覆得到的。Ti3C2Tx优异的光吸收能力和表面等离子体共振（LSPR）效应，以及木气凝胶独特的光陷阱（light-trapping）结构，赋予PT-WA强的光吸附能力和光热转换能力。当太阳光照射到PT-WA表面时，太阳光被捕获吸收并转化为热量，热量通过吸附剂迅速转移至原油，实现自加热以降低原油粘度并增加流动性。最终，借助源自天然木材的低弯曲度通道，可流动的原油通过被动毛细作用力被快速吸附。另外，通过整合吸附剂，太阳光模拟器以及蠕动泵，可以实现高粘度原油的连续吸附和回收。该研究以 “Solar-assisted self-heating Ti3C2Tx-decorated wood aerogel for adsorption and recovery of highly viscous crude oil”为题发表在国际著名期刊《Journal of Hazardous Materials》（IF＝10.588）上。论文的通讯作者为东北林业大学材料学院的张彦华教授级高级实验师，第一作者为2020级博士研究生郑丁源。该工作受到国家自然科学基金项目的支持。
图1 PT-WA吸附剂的制备过程示意图
图2 轻木(BW) (a1, a2)、木气凝胶(WA) (b1, b2)、Ti3C2Tx修饰木气凝胶(T-WA-3) (c1, c2)、PDMS涂层Ti3C2Tx修饰木气凝胶(PT-WA) (d1, d2)的SEM图及其对应的EDS图像，样品的FTIR (e)、XPS (f)、XRD (g)谱图。
图3 (a)样品的水接触角；(b)PT-WA表面的水滴照片（被亚甲基蓝染色）；(c)漂浮在水面上的PT-WA；(d)浸入水中的PT-WA的照片（银镜现象），(e, f, g) PT-WA、WA和T-WA在10%～50%应变范围内的压缩应力-应变曲线；(h)PT-WA样品20次循环压缩（50%应变）的应力-应变曲线。
图4 (a) 原油粘度随温度变化图；(b) PT-WA对不同温度的原油的吸附能力；(c) PT-WA对70°C原油的循环吸附性能。
图5 (a) PT-WA样品在1.5 sun照射下的时间-温度曲线；(b) PT-WA在不同太阳光强度照射下的时间-温度曲线；(c) PT-WA在 1.5 sun照射下10次“开灯”和“关灯”循环的时间-温度曲线；(d) PT-WA在“开灯”和“关灯”循环IR照片；(e)样品在标准太阳光谱 (AM 1.5 G) 范围内的UV-Vis-IR光谱；(f)、(g)、（h）PT-WA和WA的EMI屏蔽特性；(i) PT-WA的光热转换机制。
图6 (a) 用于连续原油吸附回收的装置照片；(b) PT-WA通过模拟太阳光（1.5 sun）加热吸附原油过程的照片；(c) 太阳能辅助的高粘度原油泄露清除机制。
论文信息：
Solar-assisted self-heating Ti3C2Tx-decorated wood aerogel for adsorption and recovery of highly viscous crude oil. Dingyuan Zheng, Wenrui Yao, Ce Sun, Xiaojian Chen, Zanru Wang, Baiwang Wang, Haiyan Tan, Yanhua Zhang*. Journal of Hazardous Materials, 2022, 435, 129068.
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129068