气凝胶借助太阳光实现高粘有机液体的高效吸附

研究背景

重质原油的高粘度和低流动性阻碍了传统三维多孔吸附材料对此类高粘有机液体的吸附效率。考虑到重质原油的粘度会随着温度上升而急剧下降，从而提升流动性以改善传统吸附材料的吸附效率，将具有光热性能的疏水多孔吸附材料应用在原油泄露事故处理引起了广泛关注。同时，传统聚合物三维多孔吸附材料存在结构强度低，热稳定性差，孔道曲折度高等问题。 这促使研究者开发具有优异光热性能，孔道曲折度低，且结构稳定的复合气凝胶来提升对高粘原油泄露事故的处理效率。

研究进展

加拿大曾宏波院士团队结合定向冷冻干燥技术和光热辅助降粘策略，以聚酰亚胺（PI），羟基磷灰石纳米线（HAP）和还原氧化石墨烯（rGO）为原料设计并制备了一种具有高强度，可压缩性和阻燃性的各向异性气凝胶材料，以用作太阳光辅助吸收高粘有机液体的高效吸附气凝胶 PI/HAP/rGO。

定向冷冻技术使PI/HAP/rGO具有连续的竖直孔道，极大的降低了高粘液体在孔道中的流动阻力。竖直孔道和HAP的加入极大的提高了PI/HAP/rGO在竖直方向上的机械强度，同时在侧向实现了可压缩性。 通过调整HAP的比例，PI/HAP0.9/rGO在竖向和侧向的杨氏模量之比可以超过8.

rGO以及PI为PI/HAP/rGO提供了疏水性，提高了对有机液体的亲和性。在60℃下，具有竖直通道结构的PI/HAP/rGO实现了比具有传统随机孔隙结构的PI/HAP/rGO快接近三倍的原油液滴吸收速度。rGO同时提供了优异的光热转换效率，在一个太阳光强度照射下，具有竖直通道结构的PI/HAP/rGO极大提升了对高粘原油 （11000 mPa·s，25 ℃）的吸收速率，吸附系数为0.25 Kg m^-2 s^-1/2.

HAP和rGO协同，极大地提升了PI/HAP/rGO的阻燃性。PI/HAP/rGO在喷枪下燃烧后，其结构保持完整，且在侧向方向仍具有可压缩性。吸附了可燃有机液体的PI/HAP/rGO可通过燃烧利用吸附的有机液体后再次循环利用，展示了其优异的循环利用性。

未来展望

该项工作通过对多孔吸附材料的结构设计和功能材料复合两方面提出的创新策略，实现了对高粘有机液体，包括重质原油，在太阳光辅助下的高效吸附，同时实现了挤压和燃烧双循环利用途径，为重质原油等高粘有机液体泄露事故的高效处理提供了一种优异的吸附材料。此外，PI/HAP/rGO的设计策略可进一步拓展以制备多功能的高效气凝胶吸附材料。