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石墨烯包裹的海绵制备过程示意图。
日前，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的俞书宏教授课题组在高黏度浮油吸附材料设计上取得突破性进展，相关成果在线发表在《自然—纳米技术》杂志上。该课题组首次将焦耳热效应引入到多孔疏水亲油吸油材料中，设计研制出可快速降低水面上原油黏度的石墨烯功能化海绵组装体材料和收集装置，大幅提高了吸油材料对高黏度浮油的吸附速度，显著降低了浮油清理时间。
海上原油泄漏不仅给环境带来灾难性破坏，还会造成巨大经济损失。原油泄漏所产生的水面浮油具有面积大、油层薄、黏度大等特点，难以采用传统技术和材料有效处理：撇油船在围油栏的配合下能够处理的浮油面积非常有限，且回收的浮油中含水量大；向原油泄漏区域播撒分散剂仅能将部分浮油分散到水体中，新形成的原油乳液颗粒依然会威胁海洋生物的生存环境……
近年来，多孔疏水亲油材料因具有成本低、油水分离效率高、环境友好等优势，逐渐受到重视。然而，该材料仅对低黏度油品具有较高吸附效率，清理回收水面原油泄漏非常困难。因为原油的黏度比较大，导致多孔疏水亲油材料难以将浮油快速吸附到内部，利用率和浮油清理速度大幅降低。
2012年起，俞书宏团队持续开展了高性能碳基组装体吸油材料的设计与制备方法研究。他们首次设计出具有原位加热和油水分离功能的石墨烯功能化海绵，大幅提高了多孔疏水亲油材料对高黏度浮油的吸附速度。研究中，他们首先采用离心辅助浸渍涂覆技术，在商业海绵表面均匀包裹上石墨烯涂层，使其不仅导电，还具有疏水亲油特性，施加电压后，产生的焦耳热会迅速增加与其接触的原油温度，有效降低了与之接触的原油黏度，最终使得经石墨烯功能化的海绵能够快速吸附水面上高黏度原油。为提高电能的利用效率，他们将加热区域限制到石墨烯功能化海绵的底部，顶层海绵和水面的浮油相当于隔热层，缓解热量扩散，提高热量向原油传递的效率。在这种限域加热设计下，电能消耗降低了65.6%，石墨烯的用量降低了50%，吸油时间也只有常温石墨烯海绵的5.4%。此外，他们还提出阵列电极设计，证明了这种焦耳热辅助多孔疏水亲油材料吸油技术可以实现工业化生产，具有重大商业化意义。
《自然—纳米技术》杂志的审稿人评价称：“这个故事非常有趣，其中有几个灵巧的想法，例如利用加热手段降低原油黏度，使原油的吸附变得可行”“文章中的研究结果确保了焦耳热辅助石墨烯修饰的海绵的应用，这是个新颖有趣的工作”“该研究利用石墨烯的焦耳热效应，使得石墨烯修饰的海绵能够原位降低原油的黏度，从水面上清除原油。这个想法具有非常高的原创性和革新性”。
该杂志还配发了评论文章称：“原位调节石油流变性并最终实现石油的快速清理是一个原创性的概念，开启快速清理水面高黏度浮油的新纪元。采用类似的策略，我们可以想象，未来的智能复合材料还可以吸附乳化的高黏度石油以及水下超重质石油或者沥青。”
据悉，这项研究开创了浮油吸附材料设计的新路径，提出的相关原创技术在石油化工行业中的油水分离领域也有着广泛应用前景。该研究提出的可加热经石墨烯功能化后的海绵组装体材料，有望在今后应对海上原油泄漏事故处置中获得广泛应用。
