▲「石墨烯海綿」放出焦耳熱,增加原油吸附率。(圖/翻攝自中國科技技術大學官網)
大陸中心/綜合報導
石墨烯只有一個碳原子的厚度,最薄卻也是最堅固的結構。中國合肥市的中國科學技術大學化學與材料科學學院設計出「石墨烯海綿」,用來吸取海上浮油,就宛如一塊大菜瓜布把油膩膩的海面清得乾乾淨淨。該成果目前已發表在《自然-納米技術》雜誌上。
該學院的俞書宏教授自2012年開始研究,首次將「焦耳熱效應」與「石墨烯的疏水親油特性」引入到多孔疏水親油吸油材料中,設計、研製出具有「原位加熱」與「油水分離」效果的石墨烯海綿,,在保持較高油水分離率的情況下,還能提升疏水親油材料對高粘度浮油吸附的速度,顯著降低了浮油清理時間。
▲石墨烯只有一個碳原子的厚度,電阻率極低,電子的移動速度極快。(圖/達志/示意圖)
很常聽到漏油事產生生態浩劫,還會衍生不少漁產的經濟損失。由於漏油問題具有大面積、油層薄、粘度大等特點,所以採用傳統的技術與材料,都很難有效處理;即使有撈油船與圍油欄的配合下,能夠處理的浮油面積非常有限,而糗回收的浮油中含水量大、向漏油區域播撒分散劑的話,也僅能將部分浮油分散到水體中,其形成的原油乳液顆粒並非無害,仍會威脅到海洋生態環境,更別說直接引燃浮油來處理,這會引發嚴重的空污問題,漏油海域也會因此缺氧。
▲原油油汙黏度高又黑,海洋生態浩劫。(圖/資料照)
近年,「多孔疏水親油材料」因其具有成本低、油水分離效率高、操作簡單、友善環境等優勢,逐漸受到研究員重視。不過,這種材料僅能對一般「低粘度」的油品才具好的吸附效果,海面上的原油都是具「高黏度」,很難把油吸附到內部,相對的,清理油汙的速度也會變得緩慢。
他們在有石墨烯海綿上施加電壓,產生的焦耳熱會迅速增加接觸到的原油溫度、降低原油粘度,因此就能提高油汙在海綿內的擴散係數(即吸附力大)。另外,為提高電能的利用效率,加熱區直到海綿底部,頂層的海綿與水面的浮油相當於隔熱層,緩解熱量向空氣與水體中擴散,提高了熱量傳遞給原油的效率。俞教授表示,在這種情況下電能消耗降低了65.6%,石墨烯的用量降低了50%,吸油時間也只有原本多孔疏水材料的5.4%(時間縮短)。
另外,學者同時提出「陣列電極設計」,證明此種「焦耳熱」的方式確實可以輔助多孔疏水親油材料的吸附技術,並且可以實現工業化生產,並且可以使大面積的石墨海綿在較低的通電電壓下,依然可以加熱到很高的溫度,這對該技術將來走向商業化有著重要的意義。
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