PDMS/CuS@MS材料的简易制备方法，具备协同的光电热转换性能，可用于全天候处理泄漏的粘性原油

《Journal of Water Process Engineering》：Facile preparation of PDMS/CuS@MS with synergistic photo/electro-thermal conversion for all-weather remediation of spilled viscous crude oil

光热/电热协同改性多孔材料PDMS/CuS@MS用于原油高效吸附，其通过铜硫化物纳米颗粒实现光照或电场加热，在1 sun照射下温度达82.4°C，3V电压下达96.2°C，显著提升原油流动性，油通量达458.5 kg·m?2·h?1，适应全天候环境。

　　

姜国军|钱丽颖|阮晨阳|柴泰明|叶晨坤|于克良|潘一添|刘家尧|赵家军|谢胜|叶向宇

浙江工业大学之江学院理学院，绍兴，312000，中国

摘要

开发可加热的吸附剂对于高效清除高粘度原油泄漏至关重要，并已受到广泛的研究关注。在本研究中，商用三聚氰胺海绵（MS）经过硫化铜（CuS）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的修饰，制备出了具有光/电热协同效应的PDMS/CuS@MS全天气吸附剂，用于清理粘稠原油。PDMS/CuS@MS表现出较高的吸油能力（31.1–45.8 g g^?1）。由于CuS纳米颗粒显著的光/电热转换特性，在1太阳光照下PDMS/CuS@MS的温度可达到82.4°C，在3.0 V电压下可达到96.2°C。这显著提高了原油的流动性，证明了该吸附剂对多种天气条件的适应性。值得注意的是，PDMS/CuS@MS在0.5 kW m^?2的太阳光照和2.5 V电压下，能够有效清除流量为458.5 kg m^?2 h^?1的原油。因此，本研究为高效制备用于原油泄漏处理的全天气吸附剂提供了一种有前景的方法。

引言

工业化推动了对石油资源的全球需求激增，从而大大加速了海上石油勘探和海上运输。不幸的是，频繁的石油泄漏导致了巨大的能源和经济损失，并对海洋生态系统构成了严重威胁[1]，[2]。因此，已经采用了多种方法来处理石油泄漏，包括吸附[3]，[4]，[5]，燃烧[6]，过滤[7]，[8]，分散[9]，微生物降解[10]和重力分离[11]。在这些方法中，基于具有独特润湿性的三维（3D）吸附剂的物理吸附方法因其简单易操作、成本效益高和高效性而被认为是最有前景的方法[12]，[13]，[14]，[15]。

然而，对于室温下流动性较低（25°C时为10³–10⁵ mPa s）的粘稠原油，传统吸附剂仍然面临挑战[16]。重质原油储量占全球石油储量的三分之一以上。由于原油粘度随温度变化显著降低[17]，开发具有自加热能力的先进吸附材料对于通过提高原油流动性来改善其吸收性能至关重要。因此，近年来人们广泛研究了利用太阳能热、电热和磁热转换处理粘稠原油泄漏的自加热吸附剂[18]，[19]，[20]，[21]。

此外，自加热商用三聚氰胺海绵（MS）材料由于其成本效益高、孔隙率高和易于功能化而显示出清除粘稠原油的巨大潜力[22]，[23]，[24]。特别是具有光热转换能力的MS是一种安全且经济高效的原油泄漏修复吸附剂。最近，魏等人利用MS作为多孔基底和炭黑作为改性剂，制备了一种有效的油吸附剂，实现了出色的重油吸收性能（114–126 g g^?1[25]。吴等人制备了一种包裹有聚多巴胺（PDA）纳米颗粒和含聚二甲基硅氧烷（PDMS）的丙烯酸共聚物（SAC）层的光热MS。所得到的PDMS/SAC-PDA@MS复合材料在1太阳光照下温度可达到87.6°C，从而显著加速了粘稠重油的吸收[26]。然而，这些MS材料在实际应用中仍面临保持稳定阳光强度的挑战（例如，在雨天、雪天和夜间）。因此，使用具有焦耳加热或磁加热功能的自加热MS复合材料成为高效处理高粘度原油的可行策略。史等人制备了一种碳化MS，能够在6.9 V电压下使温度超过300°C，并且每小时能够持续回收相当于吸附剂重量690倍的粘稠原油[27]。余等人通过浸涂法制备了涂有磁铁蛋白（MPfFn）、PDA和PDMS的磁光热MS。制备的PDMS-MPfFn-MS在10.5 kA m^{?1?1 cm?2的粘稠原油流量[28]。}

尽管这些非接触式加热方法可以确保持续的热量生成并有效适应不同的天气条件，但在实际应用中仍存在一些障碍和挑战。例如，焦耳加热方法由于能耗高和电加热器高输出电压带来的潜在风险，对海上作业来说具有挑战性。此外，磁加热方法需要使用复杂的磁场生成设备，能量传递效率低，导致运营成本较高。因此，越来越多的研究人员致力于将太阳能热转换（利用太阳能作为绿色能源）与电热转换相结合，以确保稳定运行。杨等人开发了一种具有优异太阳能/电热特性的疏水MS，在1太阳光照和15 V电压下实现了高达710 kg m^?2 h^?1

本研究介绍了一种具有光/电热转换能力的PDMS/硫化铜改性MS（PDMS/CuS@MS），用于高效的全天气原油清理和修复。MS作为基底，提供了具有良好机械性能和连续油传输通道的多孔骨架。在MS骨架上合成了具有光/电热转换功能的硫化铜（CuS）纳米颗粒，同时构建了微纳米粗糙表面。此外，PDMS的修饰增强了CuS的耐久性，并赋予材料优异的疏水性。系统研究了PDMS/CuS@MS的微观结构、化学组成、表面润湿性、机械压缩性以及光热和电热性能，以及其在粘稠原油回收中的应用。所获得的PDMS/CuS@MS吸附剂在各种天气条件下均表现出出色的光/电热转换能力，实现了原油泄漏的连续收集。本研究为原油泄漏处理提供了一种有前景的方法。

材料与表征

材料与表征的详细信息见支持信息。

超疏水PDMS/CuS@MS的制备

PDMS/CuS@MS的制备过程如图1所示。首先，将商用MS切成2 × 2 cm²的块状。为了增强CuS纳米颗粒的固定，将MS块浸入浓度为2%的水鞣酸（TA）溶液中30分钟以增加表面活性位点，然后用去离子水清洗。

形态与化学组成

原MS、CuS@MS和PDMS/CuS@MS的微观形态通过扫描电子显微镜（SEM）观察，相应图像见图2。MS表现出三维互连的多孔结构，为功能纳米材料的附着提供了丰富的表面位点。相比之下，CuS@MS和PDMS/CuS@MS在CuS纳米颗粒和PDMS涂层“原位”生长后表面更加粗糙。图2显示CuS@MS表面覆盖了许多CuS颗粒

结论

本研究通过在MS表面沉积CuS纳米颗粒和PDMS，成功制备了一种适用于粘稠原油回收的全天气可加热PDMS/CuS@MS吸附剂。CuS纳米颗粒形成的粗糙结构以及PDMS层赋予了PDMS/CuS@MS超疏水性和超亲油性（WCA = 151°；OCA = 0°），从而实现了优异的油水分离和多种低粘度原油的吸收性能。

作者贡献声明

姜国军：撰写——初稿，资金获取，概念构思。钱丽颖：撰写——初稿，方法学，数据分析。阮晨阳：方法学，数据分析。柴泰明：方法学。叶晨坤：方法学，数据分析。于克良：方法学。潘一添：方法学，数据分析。刘家尧：方法学，数据分析。赵家军：方法学。谢胜：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思。叶向宇：撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了浙江省自然科学基金（LQ18E030013）的支持。