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中國科學院上海矽酸鹽研究所黃富強課題組–網狀超輕石墨烯瓦片清潔太陽能活化原油

意外的原油洩漏于水面就可以破壞環境并引起經濟浩劫。為了減輕這類災難,在石油擴散之前及時進行幹預以控制和回收石油至關重要。普通的親脂性吸附劑不起作用,因為原油太粘而無法流入其中,尤其是在寒冷的天氣下。這就提出了使用石墨烯泡沫的建議,該泡沫也是一種極好的親脂性吸附劑,因為它是一種導體并且可以被電加熱,從而使粗制流體足以吸收。然而,在公海上,電線、電源和電加熱任何物體顯然都是一個挑戰。在這裡,我們提出了一種使用太陽能激活石墨烯瓦片的解決方案:在日光照射的幾秒鐘内,石墨烯瓦片升溫并吸收,最終将原油填充到自身體積的74%。它可以進一步用親脂性的滲油絕熱材料塗覆,成為吸光,保熱和吸油的黑洞。該瓦片能夠承受高達600℃的高溫,通過燃燒自身消除吸附的油,可以使其恢複活力,即使少量供應的瓦片也可以持續使用并在一段時間内防止漏油。可重複使用的瓦片是通過熱解相同尺寸和形狀的聚(偏二氯乙烯)泡沫制成的,密度為16 kg m-3,強度為11.7 kPa。在緊急情況下,最初作為超輕型負載支撐裝置安裝在石油生産平台和原油運輸船上的瓦片可以立即重複吸油,吸油重量是其自身重量的41倍。因此,它們可以為緩解漏油災難提供至關重要的急救作用。

Fig. 1. 利用石墨烯瓦片進行太陽能活化原油回收的示意圖。

Fig. 2. 高分子粘土制成的石墨烯瓦片。(a)通過燒制相同尺寸和形狀的聚合粘土(上)獲得的石墨烯瓦片(下)。石墨瓦片的(b-c) SEM圖,(d)高分辨率TEM圖和選定區域的電子衍射圖及(e)拉曼光譜。(f)水與石墨烯瓦的接觸角。(g)石墨烯瓦漂浮在水面上,但在丙酮中下沉。(h) 20 mg石墨烯瓦支撐200 g重量。

Fig. 3. 石墨烯瓦片的太陽能加熱激活原油吸收。(a)模拟不同強度太陽照射下石墨烯瓦的紅外圖。(b)在0.5-2太陽照射下,石墨烯瓦表面溫度迅速上升至穩态值。室溫下(c)無和(d)有0.5日光照射在石墨烯瓦上的原油滴,(e)夾在瓦片中的光線經過反複的内部反射後的示意圖。

Fig. 4. 太陽能加熱和濕吸收石墨烯瓦片。(a)浸在原油中的瓦片在不同強度的模拟太陽照射下的熱圖像。(b)濕瓦在0.5-2日曬下表面溫度逐漸升高至穩态值。(c)在各種太陽照射下,瓦片對原油的體積吸收能力。(d)在1次太陽照射下,SiO2或硫包覆的石墨烯瓦片的吸收能力超過80℃加熱的瓦片。(e)每次自燃後去除粗油瓦片的循環性能。

    相關研究成果于2020年由中國科學院上海矽酸鹽研究所Fuqiang Huang課題組,發表在Applied Materials Today (https://doi.org/10.1016/j.apmt.2019.100551)上。原文:Solar activated crude oil cleanup using net-shape-formed ultralight graphene tiles。

黃富強研究員

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