化学所等在连续高效油水分离研究方面取得新突破

2013-9-06 16:41 来源: 中国科学院
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  在中国科学院、国家自然科学基金委的大力支持下,中科院化学研究所有机固体院重点实验室的研究人员与清华大学、北京大学合作,在连续高效油水分离方面又取得新突破。该结果最近以全文的形式发表在《自然通讯》 (Nat. Commun. 4:2276 doi: 10.1038/ncomms3276 2013) 上。

  环境保护和石油工业领域需要先进的油水分离技术,例如贫油油田的石油开采、石油开采中的三次采油、石油泄漏事故的处理、含油工业废水的净化,近年来频发的事故和工业的发展使得这一需求更加迫切。在实际应用中,油水混合物中的油相经常会以微小油滴(10微米以下)的形式存在,而传统的油水分离技术难以对其进行连续、高效的分离:例如工业上应用的吸附剂法等,吸附之后的脱附较难实现,难以循环使用,也难以对吸附的油进行再次利用,而额外物质的添加也有可能引入新的污染。

  研究人员通过对自然中生物特性的研究,发现仙人掌刺在雾气流中可以连续的集水,刺表面收集的水滴可以被其表面的结构自驱动向刺的根部。受此启发,雾气中的水滴和油水混合物中的油滴是相似的,如果模拟仙人掌刺的结构,将有可能在油水分离上实现“边收集边驱动”这一智能循环模式。于是,研究人员用具有水下亲油性质的材料制备了锥形的针尖,并模拟仙人掌刺来构筑其表面的微米-纳米复合粗糙结构。将其放入含有微小油滴的油水混合物液流中并观察。由于材料本身的疏水亲油性质,油水混合物在流经锥形针尖时,混合物中的微小油滴会被吸附到针尖上,慢慢形成较大的油滴;锥形针尖表面的油滴由于曲率不同,会受到拉普拉斯压差的作用,即受到一个指向锥形根部的驱动力,当针尖收集的油滴越长越大,这个驱动力会自发地将油滴驱动至锥形根部储存。这个油滴被驱动走后,露出的针尖表面又会开始下一个集油的循环,实现连续的油水分离(见图1)。这种“边收集边驱动”的分离技术是一种智能的新型油水分离模式,将有这种功能的针尖做成大面积的阵列(见图2),就实现了连续高效的油水分离,分离的效率可达99%以上,而且这种技术的高通量、环境友好、耐腐蚀等特性,也是传统分离方法所难以实现的。

  这一研究为新型油水分离方法的设计提供了新的思路,对世界范围内环境、石油工业的发展有重要意义。


图1 微小油滴在针尖表面收集的示意图


图2 针尖阵列进行油水分离的装置图及分离效果