碳化三聚氰胺海绵制备及其光热重油吸附研究

林子媚,娄国生,康耀明,刘会娥*,陈 爽,杨相宜

碳化三聚氰胺海绵制备及其光热重油吸附研究

林子媚1,娄国生2,康耀明3,刘会娥1*,陈 爽1,杨相宜1

(1.中国石油大学(华东)化学工程学院,山东 青岛 266580；2.91286部队,山东 青岛 266021；3.中国石油青海油田格尔木炼油厂,青海 格尔木 816000)

在氩气气氛下,经高温煅烧三聚氰胺海绵(MS),制备了碳化三聚氰胺海绵(HMS),利用SEM、XPS、FI-IR对HMS的碳化情况进行分析,测定了海绵碳化前后的密度、亲水性、孔隙率、吸收光谱及压缩回弹性能.结果表明,MS部分碳化形成HMS,疏水性增强且亲油性不变,孔隙率略有降低,具有优异的吸光性能及机械性能.HMS海绵对轻质油品和重油吸附实验的结果显示:HMS海绵对轻质油品饱和吸附体积为92.20cm3/g;在一个太阳光(1kW/m2)照射下,HMS海绵温度快速升高,有效降低底面接触的重油粘度并加快吸附重油速度,吸附量高达99.1g/g左右;利用HMS海绵重复对重油进行10次吸附-挤压脱附,发现其对重油的饱和吸附量可保持在81.00 g/g以上.这些特性使得HMS海绵成为一种有前景的高效节能、可重复利用的石油泄漏吸附剂.

三聚氰胺海绵；碳化改性；光热性能；机械性能；重油吸附

随着工业的快速发展,海上石油开采与贸易运输日益增加[1-2].海洋油田泄漏井喷、输油管道破裂、游轮碰撞等事故导致海上石油泄漏屡屡发生[3-4],这给环境和生态带来巨大危害[5-7],因此亟需寻找快速高效清理溢油的方法.目前,用于处理并回收溢油的人工吸油材料有吸油性树脂[8]、秸秆纤维素[9-10]、纤维素气凝胶[11]等,但基本局限于轻质溢油的处理.而在溢油事故中,重油占溢油总量较大比例.重油的粘度和温度有着极为密切的关系[12-15],在较低温下重油的高粘度导致其难以处理和回收,因此人工吸油材料需具有快速处理回收重质溢油的特性.开发具有光热性能的吸油材料极具吸引力,利用对太阳光的吸收实现重油升温降黏,从而提升吸附回收重油速度.

三聚氰胺海绵(MS)是以三聚氰胺为原料制得的三维柔性泡沫材料,具有成本低、质量轻、弹性好、易于改性等优势[16],其丰富的孔道结构为吸附油品提供了空间,但由于其具有两亲性[17-18]使其难以有效分离油水,因此,有研究人员采用浸渍试剂法对MS进行了疏水亲油改性,例如Liu等[19]通过浸渍法制备的石墨烯/三聚氰胺复合海绵具有疏水亲油、稳定性高、对柴油吸附容量大等特性,可将其用于吸附轻质油品;Wang等[20]研究发现该复合海绵具有良好的光热性能,可利用光照使重油升温降粘,加快吸附重油速度.但大部分改性使用的浸涂试剂价格昂贵,或者浸涂后不能显著提高产品性能,因此,有必要寻找廉价高效的改性方法.

三聚氰胺的结构为含氮的六元环,结构稳定、不易分解,且具有较高的含氮量,使其具有良好阻燃特性.Xin等[21]已有研究发现MS海绵在500℃乃至更高的温度下碳化后,仍具有三维多孔结构和一定的抗压强度,温度越高,抗压强度越低.本研究在氩气气氛中高温煅烧MS海绵一步退火制备碳化三聚氰胺海绵(HMS)并进行一系列表征分析,测定其吸光性能、机械性能和吸附性能.自行搭建了模拟海上漏油吸附处理的实验装置,考察了HMS光热吸附重油的能力.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

三聚氰胺海绵(MS,表观密度为14.2kg/m3),北京可琳美高新材料有限公司;无水乙醇(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;环己烷(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;甲苯(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;邻苯二甲酸二丁酯(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;四氯化碳(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;重油(22℃时粘度为110873mPa·s),中国石化.

高功率数控超声波清洗器(KQ-300KDE),昆山市超声仪器有限公司;智能型电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9246A),上海琅玕实验设备有限公司;单温区管式炉(OTF-1200X),合肥科晶材料技术有限公司.

1.2 碳化三聚氰胺海绵(HMS)的制备

将MS切割成5×1.6×1.2cm3的长方体,用乙醇与去离子水超声交替清洗3次,放入烘箱在60℃下干燥.将清洗干燥后的MS放入管式炉中,氩气气氛下400℃保持30min,一步退火后得到碳化三聚氰胺海绵,命名为HMS.

1.3 表征与测试

采用Gemini 500型扫描电子显微镜(德国Zeiss公司)观察HMS的表面微观形貌;采用ZR-SDJ-01型水接触角测试仪(苏州德菲诺电子有限公司)测试HMS的疏水性;采用Escalab 250XI型X射线光电能子谱仪(美国Thermo Scientific公司)、IS10型傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo Scientific公司)对HMS组成结构进行分析;采用Cary 5000型紫外-可见-近红外分光光度计(美国Agilent公司)对HMS的光吸收谱进行分析;采用WDW-200型微机控制电子万能试验机(上海双旭电子有限公司)测试HMS的应力-应变曲线;采用CEL-HXF300型氙灯光源系统(北京中教金源科技有限公司)模拟太阳光,并采用H16型红外摄像仪(杭州海康威视数字技术股份有限公司)与K型热电偶温度计(台湾泰仕TES仪器仪表有限公司)测试HMS在光照下吸附重油的光热性能.

1.4 吸附海上漏油模拟实验

模拟吸附海上泄漏重油情况,将HMS(1.5×1.5× 1.0cm3)吊起,一端连接天平,将盛有40mL水及20mL重油的烧杯置于升降台,通过调整升降台高度使HMS刚好接触至油面,使用氙灯模拟太阳光,在一个太阳光(1kW/m2)下,天平记录HMS在不同时刻吸油重量,红外相机记录海绵顶面温度,K型热电偶记录海绵底面温度.同时,为减少光照直接加热重油而带来的误差,将带有一方孔的一块保温泡沫置于烧杯顶层,使光仅照射至HMS表面.装置示意图如图1所示.

图1 吸附海上漏油模拟装置示意

2 结果与讨论

2.1 HMS表观形貌及疏水亲油性能

由MS与HMS的表观照片(图2)可以观察到,HMS体积明显收缩,收缩至MS的74.8%;同时HMS的质量减少到MS的54.8%.测其表观密度,MS的表观密度为14.2mg/cm3,而HMS的表观密度显著降至10.4mg/cm3.

图2 MS与HMS的照片

为测试其疏水亲油性,将亚甲基蓝染色的水和甲基橙染色的柴油滴在MS与HMS表面.如图3所示,柴油均能被快速吸收;水滴只能被MS快速吸收,而不能被HMS吸收,这表明HMS在变为疏水性的同时保留了MS亲油性的特征.进一步测试HMS的疏水角,如图4所示,MS水接触角为0°,为超亲水;而HMS的疏水角为121.6°,为疏水性.HMS的疏水亲油特性为利用其进行油水分离提供有力支持.

图3 MS和HMS的疏水亲油性测试

图4 MS与HMS的水接触角

HMS中孔隙体积的大小是决定其吸油容量的关键因素,基于MS与HMS共同的亲油性,利用“排正丁醇法”[22]测其骨架体积,并用下式计算海绵的孔隙率(η).

式中:1、2分别为海绵骨架密度、表观密度,mg/cm3;为海绵质量,mg;1、2分别为海绵骨架体积、表观体积,cm3;为海绵的孔隙率,%.

计算得到MS的孔隙率为98.1%,HMS的孔隙率为96.4%,孔隙体积为92.23cm3/g.表明HMS虽体积收缩,但仍具有较高孔隙率,为吸附油品提供丰富孔道空间.

2.2 SEM分析

图5 MS和HMS的SEM图像

Fig.5 SEM image of MS and HMS

由图5可知,MS具有丰富的孔道结构,孔径在45～100μm,并且骨架表面平整光滑.经历高温碳化得到的HMS骨架收缩扭曲,孔径缩小至25～85μm,且部分骨架断裂,但仍具有丰富的孔道结构.这应与在400℃下HMS并未完全碳化有关[23],高温使海绵骨架收缩扭曲,从而部分断裂,但温度并未达到使海绵完全断裂坍塌的临界温度,仍存在丰富的孔道结构,利于油品的吸附.

2.3 XPS分析

利用XPS技术研究了HMS的化学元素组成.如图6所示,MS与HMS均在相同位置出现C(284eV)、O(531eV、532eV)、N(398eV)、Na(1071eV)、S(168eV)元素的谱峰,但峰值与峰面积不同.根据峰面积计算得到HMS的C原子所占比例较MS显著升高,由59.71%升高至64.33%;O原子所占比例降低,由18.8%降低至15.68%,C/O原子比由3.18升高至4.10.这表明海绵热解过程中去除了部分氧元素,实现部分碳化.

2.4 FT-IR分析

图7 MS与HMS的FT-IR图

为研究碳化后HMS的官能团变化,对MS和HMS进行了FT-IR表征分析,如图7所示.其中MS的主要特征峰为:3361cm-1(N—H伸缩振动),1551cm-1(三聚氰胺环的呼吸振动),812cm-1(三嗪环的面内伸缩振动)这些均属于三聚氰胺的特征峰,且还有1339cm-1(C—H面内弯曲振动),以及氧化组分(1000～1200cm-1);而HMS的三聚氰胺特征峰均减弱,且1000～1200cm-1的氧化组分的特征峰消失,1339cm-1处C—H伸缩振动增强,表明HMS经历碳化后含氧基团大部分去除,三聚氰胺含量下降,C含量增加,这与之前XPS分析结果基本一致.

2.5 吸收光谱分析

材料对光的吸收能力是影响材料光热性能的关键因素.MS与HMS在250～2500nm太阳光全光谱范围内的吸收率如图8所示.未改性的MS在全光谱范围内的吸收率较低,平均光吸收率为24.9%.而HMS的光吸收率明显提升,其中在可见光光谱范围(400～780nm)和紫外光范围(250～400nm)吸收率最高(97.08%);红外光范围(780～2500nm)较低,但仍明显高于MS.HMS全光谱的平均光吸收率为79.1%,表明其具有良好的光吸收能力.

图8 MS和HMS的吸收率

Fig.8 Absorption spectra of MS and HMS

2.6 压缩回弹能力测试

电子万能试验机以100mm/min的速度加载,18mm/min的速度卸载,在70%应变下对MS与HMS进行了500次压缩测试,其应力应变结果如图9所示.MS与HMS的应力-应变曲线均存在一个滞后回环,表明二者在压缩过程中的力学响应属于典型的黏弹性行为,几乎所有可压缩碳材料都会发生这种现象[24-25].对于MS,随着压缩次数的增加,由于其内部结构变得更加紧实,最大应力呈增大趋势,第1次、100次、300次、500次最大应力分别为47.1、54.6、54.5、56.7kPa,第300次较第100次略下降,可归因于在此区间MS结构稳定,应力变化不明显,第500次的最大应力相比第1次增加了20.4%.MS经历高温碳化后,内部结构的改变及碳含量的增加导致HMS机械性能降低,随着压缩次数的增加,海绵紧缩,最大应力先降低;当海绵被压缩紧实到一定程度后,呈现出MS特性,最大应力又逐渐增加,第1次、100次、300次、500次压缩HMS至70%形变的应力分别为16.5、14.7、22.3、24.9kPa.HMS经历500次压缩后,最大应力相比第1次增加了50.9%,如图10所示,500次压缩后的HMS外观没有明显破损,但两侧向内收缩,呈现出负泊松比效应[26],仍具有一定弹性,高度仍能维持到原来的80%以上(压缩前高度0.98cm,500次压缩后中心高度0.80cm),表明HMS经历碳化后仍具有良好的抗压耐久性和循环性能,可以通过机械挤压的方式回收油品,多次循环使用.

图9 70%应变下MS和HMS的应力应变

图10 500次压缩前后HMS照片

2.7 轻质油品/有机溶剂吸附

图11 吸附油品密度ρ与吸附量q关系

表1 文献报道的三聚氰胺海绵改性方法及轻质油品/有机溶剂饱和吸附量对比

HMS丰富的孔道结构为吸附油品提供了充分的空间.选择油品/有机溶剂密度由小到大的正己烷、环己烷、甲苯、邻苯二甲酸二丁酯、四氯化碳测试HMS饱和吸附量,称量吸附前后HMS质量变化.吸附所用油品密度与其饱和吸附量基本呈线性关系,如图11所示,斜率即油品饱和吸附体积[27]为92.20cm3/g,而HMS计算得到的孔隙体积为92.23cm3/g,二者基本一致,孔道占有率约为100%,表明HMS内部孔隙基本被油品填满,展现其优异的吸附性能.HMS对油品/有机溶剂的饱和吸附量为61-144g/g,表1对比了不同文献的结果,与其他改性海绵相比,HMS的水接触角较低,但吸附轻质油品/有机溶剂的能力较强.

2.8 HMS光热吸附重油测试

图12为所用重油的密度与粘度随温度变化的曲线,随着温度的升高,重油的密度变化不大,而粘度急剧降低,当升温至46℃时,重油的粘度下降至1.7×103mm2/s,相比25℃下的粘度1.7×104mm2/s下降一个数量级.

图12 重油密度与粘度随温度变化曲线

为考察HMS光热性能对加热吸附重油效果影响,在无光照和有光照下分别进行滴油测试.如图13所示,无光下,HMS表面温度为17.9℃,将一滴重油滴在HMS上,高粘度的重油在6h后仍然无法完全被吸附;而在1个太阳光 (1kW/m2)下,HMS表面温度可以达到85.1℃,底面温度可以达到55.5℃,将一滴重油滴在HMS表面后,仅在30s内重油即被完全吸附.结果表明,HMS海绵有潜力通过太阳能辅助加热降低重油粘度,对其有效、快速地吸收.

图13 HMS吸收一滴重油测试

采用图1所示的海上漏油模拟吸附装置进行实验,吸油过程中(图14所示),在0～2min的初始阶段吸油速率较慢,为4.3g/(g·min),该阶段属于HMS表面导热传至底面并加热重油的阶段,HMS表面与底面温度持续升高;在2～5min阶段,随着HMS持续加热重油并吸附重油,吸油速度加快,为9.8g/(g·min), HMS表面温度与底面温度达到最大值;在5min之后,随着吸附孔道的填满,HMS表面由于重油的进入温度稍有降低,底面温度随之略有降低,吸油速度逐渐降低,直至吸附饱和,饱和吸附量为99.1g/g.吸油平均速度约为5.5g/(g·min),展现了HMS优异的吸附性能和光热性能.计算20～70℃重油的平均密度为0.9347g/cm3,由此估算吸附重油体积为106.02cm3/g,高于孔隙体积(92.20cm3/g),这是由于在此温度范围内重油的运动粘度虽然已显著降低(最低为325.7mm2/s),但仍然偏高,例如环己烷在20℃下的运动粘度为1.2mm2/s,重油粘度仍要明显高于轻油,吸附饱和后重油附着在HMS外表面,导致计算吸附体积偏大.

如图15所示,重油的主要特征峰为: 2923cm-1、2858cm-1(C-H伸缩振动),1577cm-1、1705cm-1(双键伸缩振动), 1456cm-1、1375cm-1(C-H面内弯曲振动),1056cm-1(C-O伸缩振动)及600～1000cm-1的C-H面外伸缩振动.吸附重油后HMS的主要特征峰与重油特征峰基本一致,重油主要成分并未变化,吸附为物理吸附.由于海绵表面粘稠的重油掩盖多孔的海绵,未检测到HMS的特征峰.

图15 重油及HMS吸油前后FT-IR图

表2对比了其他文献中改性MS方法及材料光热吸附重油能力,相较于石墨烯改性、聚多巴胺及聚二甲基硅氧烷改性,在较低的光照强度下,HMS表面可以升至较高温度,吸附重油能力处于两者之间;相较于碳纳米管及聚吡咯改性,在相同光照强度下, HMS表面最高温度较低,但吸附重油能力较强.

表2 文献报道的三聚氰胺海绵改性方法及光热吸附重油能力对比

为节约资源和保护环境,吸附剂的再生是关键因素.目前,报道的方法主要有燃烧法[35]、蒸馏法[36]、有机溶剂法[37]和机械挤压法[38].燃烧法难以回收油品且易造成二次环境污染,蒸馏法虽可回收油品但耗能较大,有机溶剂法消耗大量有机溶剂溶解油品且降低油品纯度,而机械挤压法仅需外界加力,是一种简单经济环保的再生方式.将上述吸满油的HMS在光照下机械挤压回收重油,再重新用于光热吸油,重复多次实验,记录其饱和吸附量及挤压后材料重量,如图16所示.由于重油的粘度仍较高,因此在挤压回收过程中不可避免仍有重油残留,首次脱附后,仍有一定的含油量,为20.5g/g.

图16 HMS重复光照吸油饱和吸附量变化

图17为HMS在一次光热吸附重油并挤压前后的照片,挤压后HMS略有收缩.第一次与第二次饱和吸附量相差较大,这可能是由于在机械挤压过程中,改变了HMS内部孔道结构,导致饱和吸附量减小.但随着重复次数的增加,HMS内部孔道结构趋于稳定,饱和吸附量趋于稳定,10次吸附脱附后的吸附量由99.1g/g下降至81.6g/g,存在少量损失(17.7%),这说明HMS具有优良的循环吸附性能,在重油回收方面将会有很大前景.

图17 HMS光热吸附重油前后照片

3 结论

3.1 与浸涂试剂改性MS相比,MS高温碳化改性,制备成本低、周期短,所制备的材料HMS具有较强的亲油性、密度低、孔隙率高等特点.

3.2 MS在全光谱范围内吸收率较低,平均光吸收率为24.9%;而HMS在太阳全光谱范围内具有较高的吸收率,平均光吸收率为79.1%.

3.3 用万能试验机对HMS进行压缩回弹测试发现,HMS具有优异的压缩回弹能力,在70%应变下压缩回弹500次后HMS仍能快速回弹至原始高度的80%以上,外观没有破损.

3.4 HMS可以快速吸附轻质油品,饱和吸附体积为92.20cm3/g,与HMS的孔隙体积92.23cm3/g基本一致,孔道占有率近100%.

3.5 HMS模拟吸附海上漏油情况,在1个太阳光下,HMS海绵温度快速升高,有效降低了底面接触的重油粘度并加快了吸附重油速度,最大吸附速率为9.8g/(g·min),吸附量高达99.1g/g左右;HMS海绵重复吸附重油10次时,对重油的饱和吸附量仍可保持在85.00g/g以上.

[1] 朱林超,王东光,顾佳鹏.海上石油的泄漏与防治[J]. 山东化工, 2018,47(23):88-89.

Zhu L C, Wang D G, Gu J P. Offshore oil spills and prevention [J]. Shandong Chemical Industry, 2018,47(23):88-89.

[2] 帅异莹.舟山海域石油烃污染调查及相关石油烃降解微生物的应用研究[D]. 杭州:浙江大学, 2019:139.

Shuai Y Y. Investigation of petroleum hydrocarbon pollution in Zhoushan sea area and application of related petroleum hydrocarbon degrading microorganisms [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2019: 139.

[3] 韩 辉.重油在胶州湾沉积物上的吸附解吸行为及其影响因素研究[D]. 青岛:中国海洋大学, 2011:72.

Han H. Study on the adsorption and desorption behavior of heavy oil on sediments in Jiaozhou Bay and its influencing factors [D]. Qingdao: Ocean University of China, 2011:72

[4] Yamada, Yasuhira. The cost of oil spills from tankers in relation to weight of spilled oil [J]. Marine Technology and Sname News, 2009, 46(4):219-228.

[5] 赵 召.墨西哥湾漏油事件:前所未有的生态灾难[J]. 生命世界, 2010,22(7):38-43.

Zhao Z. Oil spill in the gulf of mexico: an unprecedented ecological disaster [J]. Life World, 2010,22(7):38-43.

[6] 殷建平,任隽妮.从康菲漏油事件透视我国的海洋环境保护问题[J]. 理论导刊, 2012,33(4):91-92.

Yin J P, Ren J N. Marine environmental protection issues in China from the perspective of ConocoPhillips oil spill [J]. Journal of Socialist Theory Guide, 2012,33(4):91-92.

[7] Brette F, Machado B, Cros C, et al. Crude oil impairs cardiac excitation-contraction coupling in fish [J]. Science, 2014,343(2): 772-776.

[8] Xin L, Wang Y S, Hong W Y, et al. Research progress and application prospect of high oil-absorbing resins [J]. Applied Mechanics and Materials, 2012,209-211:1199-1202.

[9] 景旭东,林海琳,阎 杰.秸秆纤维素吸油材料的研究进展[J]. 材料导报, 2015,29(19):50-54.

Jing X, Lin H, Yan J. Research progress of straw cellulose oil-absorption materials [J]. Materials Reports, 2015,29(19):50-54.

[10] 范廷玉,李文洁,彭 丹,等.漆酶改性玉米秸秆髓的制备及其吸油特性[J]. 中国环境科学, 2020,40(9):3810-3820.

Fan T Y, Li W J, Peng D, et al. Preparation of laccase modified corn straw pulp and its oil absorption characteristics [J]. China Environmental Science, 2020,40(9):3810-3820.

[11] Wu Z Y, Li C, Liang H W, et al. Carbon nanofiber aerogels for emergent cleanup of oil spillage and chemical leakage under harsh conditions [J]. Scientific Reports, 2014,4:4079.

[12] 尚培娜.温度对导热油粘度影响规律的研究[D]. 株州:湖南工业大学, 2016:62.

Shang P N. Study on the influence of temperature on the viscosity of thermal oil [D]. Hunan: Hunan University of Technology, 2016:62.

[13] Ioana S. Rheological properties of mineral oil [J]. Journal of Science and Arts, 2011,4(17):487-490.

[14] Oluwafunmilayo A A, Samue E A, Ayobami O A. A laboratory study of the effect of temperature on densities and viscosities of binary and ternary blends of soybean oil, soy biodiesel and petroleum diesel oil [J]. Advances in Chemical Engineering, 2012,2(4):444-452.

[15] Knezevic D, Savic V. Mathematical modelling of changing of dynamic viscosity, as a function of temperature and pressure,of mineral oils for hydraulic systems [J]. Mechanical Engineering, 2006,4(1):27-34.

[16] Zhang X F, Song L, Chen X, et al. Zirconium ion modified melamine sponge for oil and organic solvent cleanup [J]. J Colloid Interface Sci, 2020,566:242-247.

[17] 叶 锐,张 路,付 豪,等.蜜胺泡绵的吸放水性研究与应用[J]. 塑料工业, 2015,43(7):86-88.

Ye R, Zhang L, Fu H, et al. Research and application of water absorption-desorption of melamine foams [J]. China Plastics Industry, 2015,43(7):86-88.

[18] Yang Y, Deng Y, Tong Z, et al. Multifunctional foams derived from poly (melamine formaldehyde) as recyclable oil absorbents [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2014,2(26):9994-9999.

[19] Liu T T, Zhao G, Zhang W, et al. The preparation of superhydrophobic graphene/melamine composite sponge applied in treatment of oil pollution [J]. Journal of Porous Materials, 2015,22(6):1573-1580.

[20] Wang X Z, Liu D, Cheng G, et al. Solar heating assisted rapid cleanup of viscous crude oil spills using reduced graphene oxide-coated sponges [J]. Science China Technological Sciences, 2020,63(8):1487- 1496.

[21] Ye X, Chen Z, Ai S, et al. Effect of pyrolysis temperature on compression and thermal properties of melamine-derived carbon foam [J]. Journal of Analytical & Applied Pyrolysis, 2019,142(Sep.): 104619.1-104619.6.

[22] 韩 畅.一种排水法测量固体体积的装置:中国,CN204788551U [P]. 2015.

Han Chang. A device for measuring solid volume by drainage method, China, CN204788551U [P]. 2015.

[23] Ye X, Chen Z, Ai S, et al. Effect of pyrolysis temperature on compression and thermal properties of melamine-derived carbon foam [J]. Journal of Analytical & Applied Pyrolysis, 2019,142(Sep.): 104619.1-104619.6.

[24] Gao H L, Zhu Y B, Mao L B, et al. Super-elastic and fatigue resistant carbon material with lamellar multi-arch microstructure [J]. Nature Communications, 2016,7(1):1-8.

[25] Zhang Y, Zhang Q, Zhang R, et al. A superhydrophobic and elastic melamine sponge for oil/water separation [J]. New Journal of Chemistry, 2019,43:6343-6349.

[26] 史 炜,杨 伟,李忠明,等.负泊松比材料研究进展[J]. 高分子通报, 2003,15(6):48-57.

Shi W, Yang W, Li Z M, et al. Research progress on negative poisson ratio materials [J]. Polymer Bulletin, 2003,15(6):48-57.

[27] 刘会娥,黄扬帆,马雁冰,等.石墨烯基气凝胶对有机物的饱和吸附能力[J]. 化工学报, 2019,70(1):280-289.

Liu H E, Huang Y F, Ma Y B, et al. Saturated adsorption capacity of graphene-based aerogels on organic matter [J]. CIESC Journal, 2019,70(1):280-289.

[28] Cho E C, Chang-Jian C W, Hsiao Y S, et al. Interfacial engineering of melamine sponges using hydrophobic TiO2nanoparticles for effective oil/water separation [J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2016,67:476-483.

[29] Liu Q, Meng K, Ding K, et al. A superhydrophobic sponge with hierarchical structure as an efficient and recyclable oil absorbent [J]. Chempluschem, 2015,80(9):1435-1439.

[30] Chen X, Weibel J A, Garimella S V. Continuous oil–water separation using polydimethylsiloxane-functionalized melamine sponge [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016,55(12):3596- 3602.

[31] Dan L, Tong T, Yha B. Solar heated graphene-melamine foam for absorbing oil and organic solvents – ScienceDirect [J]. Energy Procedia, 2019,158:490-496.

[32] Mirhosseinian N S, Anbia M, Salehi S. Preparation and characterization of superhydrophobic melamine and melamine- derived carbon sponges modified with reduced graphene oxide–TiO2nanocomposite as oil absorbent materials [J]. Journal of Materials Science, 2020,55(4):1536-1552.

[33] Zhang C, Wu M B, Wu B H, et al. Solar-driven self-heating sponges for highly efficient crude oil spill remediation [J]. Journal of Materials Chemistry, A. Materials for energy and sustainability, 2018,6(19): 8880-8885.

[34] Wu X, Lei Y, Li S, et al. Photothermal and Joule heating-assisted thermal management sponge for efficient cleanup of highly viscous crude oil [J]. Journal of Hazardous Materials, 2021,403:124090.

[35] Zhao P, Yao Q, Zhou G, et al. Green preparation of nonflammable carbonized asphalt-melamine sponges as recyclable oil absorbents [J]. Materials Chemistry and Physics, 2019,226:235-243.

[36] 周 明,许春建,余国琮.吸附剂的蒸馏脱附再生方法:中国, CN1065813A [P]. 1992-11-04.

Zhou M, Xu C J, Yu G Q. Distillation and desorption regeneration method of adsorbent: China, CN1065813A [P]. 1992-11-04.

[37] 沈万慈,王鲁宁,郑永平,等.一种油污染吸附剂的制备及其回收再生方法:中国, CN1579615 [P]. 2005-02-16.

Shen W C, Wang L N, Zheng Y P, et al. Preparation of oil pollution adsorbent and regeneration method thereof: China, CN1579615 [P]. 2005-02-16.

[38] 黄扬帆.乳液法制备石墨烯基气凝胶及其吸附性能研究[D]. 青岛:中国石油大学(华东), 2018:36-37.

Huang Y F. Preparation of graphene-based aerogel by emulsion method and its adsorption performance [D]. Qingdao: China University of Petroleum (East China), 2018:36-37.

Preparation of carbonized melamine sponge for photo assisted heavy oil adsorption.

LIN Zi-mei1, LOU Guo-sheng2, KANG Yao-ming3, LIU Hui-e1*, CHEN Shuang1, YANG Xiang-yi1

(1.College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China；2.91286 Troops, Qingdao 266021, China；3.Golmud Refinery of PetroChina Qinghai Oilfield, Golmud 816000, China)., 2022,42(7)：3184～3192

Carbonized melamine sponge (HMS) was prepared by calcining of melamine sponge (MS) in argon atmosphere. The carbonization effect of HMS was analyzed by SEM, XPS and FI-IR. The density, hydrophilicity, porosity, absorption spectra and compression resilience of the sponge before and after carbonization were measured. The results showed that MS was partly carbonized into HMS, with the hydrophobicity enhanced, the lipophilicity unchanged, and the porosity slightly reduced. HMS exhibited excellent light absorption and mechanical properties. The saturated adsorption volume of HMS sponge on light oil was 92.20cm3/g. Under 1sun irradiation (1kW/m2), the temperature of HMS sponge rose rapidly, which effectively reduced the viscosity of heavy oil in contact with its bottom surface and sped up the adsorption rate of heavy oil, with the adsorption capacity reaching about 99.1g/g. When HMS sponge repeatedly adsorbed heavy oil for 10times, its saturated adsorption capacity on heavy oil could maintain at higher than 81.00g/g. These characteristics made HMS sponge a promising high-efficiency, energy-saving and reusable oil spill adsorbent.

melamine sponge；carbonization modification；photothermal properties；mechanical properties；heavy oil adsorption

X703

A

1000-6923(2022)07-3184-09

林子媚(1999-),女,山东烟台人,中国石油大学(华东)硕士研究生,主要研究方向为吸油材料研究.发表论文3篇.

2021-12-27

国家自然科学基金资助项目(22078366)

* 责任作者,教授, liuhuie@upc.edu.cn