隨著海上運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，原油和有機(jī)溶劑泄漏事故頻繁發(fā)生，給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。大面積的油污覆蓋在海面上，會(huì)導(dǎo)致海域中的生物因缺氧而大量死亡，破壞海洋生態(tài)環(huán)境，同時(shí)油類污染物中的有毒化學(xué)物質(zhì)會(huì)在生物體中逐漸積累，最終也會(huì)對(duì)人體健康造成危害。如何清除海面上的原油和有機(jī)溶劑成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。聚氨酯泡沫作為一種三維多孔結(jié)構(gòu)材料在吸油方面具有廣泛的應(yīng)用，目前對(duì)于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于石油資源，不具備綠色環(huán)保的特性。因此，開發(fā)一種生物質(zhì)來源且高性能的吸油材料至關(guān)重要。
圖1 碳納米管復(fù)合的木質(zhì)素基聚氨酯泡沫用于高效光熱輔助原油回收
圖2 含有可降解的Ti3C2Tx MXene納米片的木質(zhì)素基聚氨酯光熱泡沫用于快速清除原油
圖3 超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫用于重油吸附和高效油水分離
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)陳景研究員和朱錦研究員與加拿大多倫多大學(xué)顏寧教授團(tuán)隊(duì)合作，在木質(zhì)素基聚氨酯吸附劑用于治理海上油污泄露方面取得了相關(guān)進(jìn)展（Chem. Eng. J. 2021, 415, 128956; ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 2848-2858; J. Water Process. 2022, 46, 102643）。
團(tuán)隊(duì)首先采用一步法制備了碳納米管復(fù)合的木質(zhì)素基聚氨酯原油吸附泡沫用于高效原油回收（圖1），該吸附劑采用傳統(tǒng)聚氨酯發(fā)泡工藝，制備方法簡(jiǎn)單。制備出的泡沫在一個(gè)太陽光照（1000W/m2）下，表面溫度能夠高達(dá)90℃，在6min內(nèi)實(shí)現(xiàn)自身6倍以上質(zhì)量的原油回收，并且能夠在堿性環(huán)境下實(shí)現(xiàn)降解，做到綠色材料用于綠色工程。（Chem. Eng. J. 2021, 415, 128956）
接著，團(tuán)隊(duì)與先進(jìn)能源材料工程實(shí)驗(yàn)室黃慶研究員合作，將分散性更好、光熱轉(zhuǎn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物基復(fù)合聚氨酯泡沫具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力（50.1%）。其在一個(gè)太陽光照（1000W/m2）下，表面最高溫能夠達(dá)到83℃，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)粘稠原油的高效回收。更值得一提的是，該材料在廢棄后能夠在0.5mol/L的氫氧化鈉/甲醇混合溶液中降解，且降解后的殘留物主要是對(duì)環(huán)境無害的含有二氧化鈦和碳的物質(zhì)。（ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 2848-2858）
在此基礎(chǔ)上團(tuán)隊(duì)又開發(fā)了一種新型適用于多種復(fù)雜環(huán)境的超疏水磁性木質(zhì)素基聚氨酯泡沫（圖3），由于其在太陽光下可以借助光熱輔助原油回收、在無太陽光狀態(tài)下能夠通過超疏水的表面性質(zhì)實(shí)現(xiàn)常規(guī)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(dá)156°。四氧化三鐵納米顆粒的引入賦予泡沫優(yōu)異的光熱性能和磁性能，在一個(gè)太陽光照（1000W/m2）下，泡沫表面最高溫度能達(dá)到66.5℃，對(duì)原油的吸附容量為4.89g/g。同時(shí)由于四氧化三鐵的存在，泡沫具有良好的磁性能，飽和磁化強(qiáng)度為5.48emu/g，該吸附劑可以利用磁場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和回收。（J. Water Process. 2022, 46, 102643）
綜上所述，經(jīng)過生物基高分子團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)研發(fā)木質(zhì)素基聚氨酯泡沫復(fù)合材料在有機(jī)溶劑泄露或原油回收環(huán)境治理方面具有非常優(yōu)異的性能，并且使用后能夠通過簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)降解，把對(duì)環(huán)境的污染程度降到最低。該工作不僅為木質(zhì)素基聚氨酯泡沫的應(yīng)用找到出口，也為今后生物基高分子材料的應(yīng)用提供了一種思路。
以上工作成果得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFE0102300)，OCE項(xiàng)目#29983（加拿大），國家自然科學(xué)基金（51902319，31901263），寧波市公益類科技計(jì)劃項(xiàng)目（202002N3127）等的資助。
