超疏水高强度石墨烯油水分离材料的制备及应用

尹承伟，颜黎栋

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

在石油的开采过程中，往往会面临着较大的环境污染风险。在海洋石油开发工作中，常常因为生产事故造成对海水大面积的污染，严重威胁着海洋生态环境。故此，相关研究人员开始加大对于油水分离材料的研发力度，力求通过科学有效的油水分析材料的制备降低因海洋原油泄漏而造成的各种环境污染风险[1]。

1 关于物理吸附材料

通过利用物理吸附的方法可以做到在处理泄露原油的同时又避免了对海洋环境的进一步污染。但是目前此种方法由于使用的物理吸附材料不具有重复利用、吸油量较低以及后续处理困难等一些列的难点。为了对上述问题进行进一步的改善与解决，一系列新的吸附材料被用于油水分离处理之中，例如碳纳米管、纳米纤维材料等等。虽然上述材料对于传统油水分离处理材料具有较高的吸附效率，但往往具有更高的生产成本以及无法进行大规模的生产的问题[2]。对于物理吸附材料的选择既要满足对油吸附能力较强的条件，还要具有较为合理的生产成本，较好的循环利用能力。所以对于物理吸附材料的制备具有较高的工作要求。

目前，GA 材料拥有三维网状的内部结构，具有更大的比表面积和更高的导电率以及更为优良的疏水性能以及更强的吸附能力而被受到了相关领域的工作人员的广泛关注。但是这种材料所具有的的韧性不能达到实际应用要求的水平，在进行油水分离处理工作后常常因为受到了外力作用下被破坏而丧失了循环利用的功能。其比较高的制备成本也对其广泛投入使用造成了严重的阻碍。

三聚氰胺海绵（MS）具有更为优秀的韧性与更好的弹性，在油水分离处理工作中具有更高的吸油量与较低的生产成本，相比GA 材料更加适合进行油水分离处理[3]。但是，MS 材料却因为无法进行选择性吸附而同样无法在原油海洋污染处理中被广泛的应用。近年来，前人曾使用聚乙烯亚胺和氧化石墨烯对商业海绵进行了改善，使用肼还原剂进行95℃，3h 的反应，之后将其在20%的苯基三甲氧基硅烷溶液中使其吸油能力得到进一步的加强。另外，前人也根据MS 与GO的协同效应，使用石墨烯对MS 进行表面改性，进而制备出具有选择性能的吸附材料。同时把包覆GO 的三聚氰胺海绵在80℃下用肼蒸汽进行24h 的还原，制备疏水吸附材料。前人还通过将GO 涂覆在三聚氰胺海绵之上，使用180℃进行6h 的加热制备得到超疏水的材料。

本次研究通过使用绿色环保的表面修饰手段，把GO 在MS 表面生成的还原氧化石墨烯层对三聚氰胺海绵骨架进行包覆，对超疏水亲油的还原氧化石墨烯/三聚氰胺海绵进行科学高效的制备，同时增强了石墨烯和海绵基底的结合程度，使制备出的超疏水亲油的还原氧化石墨烯/三聚氰胺海绵吸附材料具有较传统吸附材料更为绿色环保的优点。同时对其在结构组分、疏水性、循环使用能力等方面进行了分析，使得RGO-MS 材料被证明具有较传统材料更加优秀且具有更为广泛是应用前景。

2 实验部分

2.1 氧化石墨烯(GO) 的制备

使用改善后的Hummers 法对GO 进行制备。把150mL 浓硫酸、50mL 浓硝酸与5g 天然鳞片石墨分别倒入500mL 的圆底烧瓶之中，在常温常压下进行24h 的搅拌，之后倒入1L 蒸馏水进行稀释并过滤。将反应产物进行洗涤与干燥处理制备得到GO。把石墨粉、300mL 浓硫酸、6.2g 氧化二磷与4.2g 的硫代酸钾依次倒入圆底烧瓶之中，在80℃的温度条件下进行5h 的搅拌，反应后再倒入蒸馏水对其进行稀释并进行过滤与洗涤、干燥等工作，制备得到预氧化的膨胀石墨材料。

把制备产物和200mL 浓硫酸进行混合，在15℃下缓慢倒入15g 高锰酸钾溶液，将温度提升到350℃并进行搅拌，2h 后加入2L 蒸馏水稀释同时倒入10mL30%过氧水直到溶液变黄，用稀盐酸溶液进行洗涤，使用蒸馏水进行多次洗涤，至酸碱度为7，最后进行配置形成1mg/L 的GO溶液备用。

2.2 RGO-MS 的制备

把50mL 浓度为1mg/mL 的GO 溶液到入100mL 的烧杯进行搅拌，并倒入200 μL 25%的L-抗坏血酸溶液，进行持续搅拌半小时，把MS倒入GO 溶液中进行20min 的反应并使用超声辅助浸渍，结束后将包裹GO 溶液的MS 转入烧杯中，进行密封后再在80℃的条件下进行3h 的反应。把产物在蒸馏水中进行48h 的浸泡后经过干燥处理制备得到RGO-MS。

2.3 吸油性能测试

把得到了RGO-MA 产物浸入多种有机溶剂与油脂中，经过10min 取出，放置到无油滴落下后进行称重，对材料的吸附能力进行计算。

2.4 接触角测试

把4 μL 的水滴滴至样品的表面，至体积形态其不再发生任何改变后对水滴的变化进行详细的记录与分析，使用相关方程计算公式对其形态与静态接触角进行计算。通过注射器将水滴滴至样品表面，将注射器针头插进水滴的中间区域，慢注3μL 水并等待四s，再将注入的水全部抽出，对液滴样品的变化进行全程的记录，使用接触角结果计算前进角与后退角的差值。

2.5 吸附-挤压循环实验

把RGO-MS 样品取样后浸入到正己烷和泵油中，10min 之后提取出来，进行称重。再将海绵的高度进行压缩使其高度达原来的一半后进行吸附油的提取。将提取油后的海绵再一次浸入到正己烷和泵油中，进行50 次的重复后计算其吸附能力。

2.6 连续油水分离实验

使用自组装的连续分离器对正己烷和水的混合物进行分离试验。将RGO-MS 置入多孔的塑料管之中，使用管子将真空泵与之相连。在真空环境之下把RGO-MS 选择性吸附特性实现油水分离通过自组装的连续分离装置对正己烷/水混合物进行浮油/水选择性分离实验.将RGO-MS 放入多孔塑料管中，用管子将真空泵和瓶子相连，在真空驱动下，利用RGO-MS 选择吸附特性实现油水分离。

3 结语

使用浸渍法把GO 包覆在三聚氰胺海绵骨架之上，使用低温与绿色环保的还原剂将GO 还原为RGO，同时将其紧密覆与三聚氰胺海绵骨架之上，制备出本次的RGO-MS 吸附材料。这种吸附材料能够更高效的吸附多种有机物与油脂。同时拥有更为绿色环保的有点，在进行高达50 次的吸附实验之后，吸附材料仍然具有90%以上的吸附能力。同时，这种吸附材料对轻质原油与重质原油都有较好的吸附能力，同时能够实现连续分离处理。所以这种物理吸附材料将以其简单的制备过程、良好的吸附能力以及绿色环保的功能受到广泛的欢迎，并且将在海洋原油泄漏事故处理工作中得到更为广泛的应用。