把造纸废料“扔”到海里吸油去

  研究团队发现，他们制备出的木质素聚氨酯泡沫经过一个太阳光照（辐射功率每平方米1000瓦特）后，表面温度可达90℃，可在6分钟内实现自身6倍以上质量的原油回收。

  大面积的油污覆盖在海面上，大量海洋生物身陷其中缺氧死亡……随着海上运输业快速地发展，原油和有机溶剂泄漏事故频繁发生，对生态环境与人体造成危害。

  针对泄漏事故，目前国际通用的原油吸附泡沫，原料多来自石化资源且不可降解，与绿色环保理念并不契合。开发一种生物质来源且吸附力强的吸油材料，成为相关领域的重要研究方向。

  近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物基高分子材料团队陈景研究员和朱锦研究员与加拿大多伦多大学颜宁教授团队合作，设计研发了一类木质素基聚氨酯硬质泡沫，可用于治理海上油污泄漏，还能在温和碱性环境下无害化降解。

  在自然界的植物中，木质素是含量仅次于纤维素的第二大天然有机高分子聚合物。在木本植物中，木质素含量能占到约25%。在工业生产里，木质素通常作为造纸行业的副产物，被燃烧或直接丢弃。

  “当前的吸油材料大多以泡沫、气凝胶等多孔材料为主。其中聚氨酯硬质泡沫在油水分离中的应用特别普遍。”陈景介绍，聚氨酯材料由多元醇与异氰酸酯经过聚加成反应得到，传统聚氨酯材料所用的多元醇来源于石油。

  是否可以将普遍被浪费的木质素利用起来，提高聚氨酯材料的环境友好性？2019年下半年，研究团队开始着手研发，希望能够通过引入木质素，降低聚氨酯材料的成本，并且使其实现降解。

  起初，研究团队采用一步法制备了碳纳米管复合的木质素基聚氨酯原油吸附泡沫，用于高效原油回收。

  “所谓一步法，就是将制备好的多元醇与异氰酸酯混合，迅速搅拌，倒入模具，无需维持环境条件，一步生成聚氨酯硬质泡沫。这与传统聚氨酯硬质泡沫制备方法一致。”陈景解释说。

  常温下原油黏度较高，类似固体，但在较高温度下其黏度会明显降低，有助于提高泡沫吸收速率。通过模拟海洋环境实验，研究团队发现，制备出的木质素聚氨酯硬质泡沫经过一个太阳光照（辐射功率每平方米1000瓦特）后，表面温度可达90℃，可在6分钟内实现自身6倍以上质量的原油回收。

  “通过挤压这种泡沫，可将其吸附的油污进行回收处理再利用。”陈景表示，美中不足的是，碳纳米管不可降解，还会阻碍泡沫材料的降解速率。

  通过与中国科学院宁波材料所黄庆研究员合作，研究团队替换碳纳米管，将具有可降解性、光热转换能力更佳的MXenes纳米片引入泡沫基体中。

  据了解，MXenes纳米片能够在热氧环境下降解成对环境无污染的二氧化钛等物质，提高聚氨酯泡沫的环境友好性。

  由于处理人没办法接近某些具有特殊用途的有毒油相废液，因此就需要能够精准定向进行油污吸附的材料。基于已有的合作成果，研究团队进一步开发，研制出了一种超疏水磁性木质素基聚氨酯硬质泡沫。

  “将四氧化三铁纳米颗粒引入泡沫中，能使泡沫整体具有一定的磁性和光热性能，通过硅烷的表面修饰则使其具有超疏水性。”陈景解释道，超疏水磁性木质素基聚氨酯泡沫在太阳光下能借助光热辅助原油回收，阴雨天可以通过超疏水的表面性质实现常规油水分离，实现24小时作业。

  研究团队经过实验发现，在一个太阳光照下，超疏水磁性木质素基聚氨酯硬质泡沫表面最高温度能达到66.5℃，吸附约自身5倍质量的原油。由于该泡沫具有磁性，因此人类能利用磁场对由该泡沫加工而成的吸附剂进行驱动和回收。

  除了应对海上原油泄漏，木质素基聚氨酯硬质泡沫还可作为抗菌敷料、过滤材料、保温材料、隔音吸波材料等。目前，研究团队已与企业合作，将木质素基聚氨酯硬质泡沫材料率先用于汽车内饰中。

  “木质素的大量使用，使得这类泡沫制作成本非常低廉（较商用聚氨酯硬质泡沫成本下降30%左右），在环保方面的优势相当突出。下一步，团队将尝试提升这类泡沫材料的吸油速率。”陈景表示，这项研究不仅为木质素基聚氨酯硬质泡沫的应用找到了出口，也为今后生物基高分子材料的应用提供了一种思路。