碳化三聚氰胺海綿制備及其光熱重油吸附研究

林子媚,婁國生,康耀明,劉會娥*,陳 爽,楊相宜

碳化三聚氰胺海綿制備及其光熱重油吸附研究

林子媚1,婁國生2,康耀明3,劉會娥1*,陳 爽1,楊相宜1

(1.中國石油大學(華東)化學工程學院,山東 青島 266580；2.91286部隊,山東 青島 266021；3.中國石油青海油田格爾木煉油廠,青海 格爾木 816000)

在氬氣氣氛下,經高溫煅燒三聚氰胺海綿(MS),制備了碳化三聚氰胺海綿(HMS),利用SEM、XPS、FI-IR對HMS的碳化情況進行分析,測定了海綿碳化前后的密度、親水性、孔隙率、吸收光譜及壓縮回彈性能.結果表明,MS部分碳化形成HMS,疏水性增強且親油性不變,孔隙率略有降低,具有優異的吸光性能及機械性能.HMS海綿對輕質油品和重油吸附實驗的結果顯示:HMS海綿對輕質油品飽和吸附體積為92.20cm3/g;在一個太陽光(1kW/m2)照射下,HMS海綿溫度快速升高,有效降低底面接觸的重油粘度并加快吸附重油速度,吸附量高達99.1g/g左右;利用HMS海綿重復對重油進行10次吸附-擠壓脫附,發現其對重油的飽和吸附量可保持在81.00 g/g以上.這些特性使得HMS海綿成為一種有前景的高效節能、可重復利用的石油泄漏吸附劑.

三聚氰胺海綿；碳化改性；光熱性能；機械性能；重油吸附

隨著工業的快速發展,海上石油開采與貿易運輸日益增加[1-2].海洋油田泄漏井噴、輸油管道破裂、游輪碰撞等事故導致海上石油泄漏屢屢發生[3-4],這給環境和生態帶來巨大危害[5-7],因此亟需尋找快速高效清理溢油的方法.目前,用于處理并回收溢油的人工吸油材料有吸油性樹脂[8]、秸稈纖維素[9-10]、纖維素氣凝膠[11]等,但基本局限于輕質溢油的處理.而在溢油事故中,重油占溢油總量較大比例.重油的粘度和溫度有著極為密切的關系[12-15],在較低溫下重油的高粘度導致其難以處理和回收,因此人工吸油材料需具有快速處理回收重質溢油的特性.開發具有光熱性能的吸油材料極具吸引力,利用對太陽光的吸收實現重油升溫降黏,從而提升吸附回收重油速度.

三聚氰胺海綿(MS)是以三聚氰胺為原料制得的三維柔性泡沫材料,具有成本低、質量輕、彈性好、易于改性等優勢[16],其豐富的孔道結構為吸附油品提供了空間,但由于其具有兩親性[17-18]使其難以有效分離油水,因此,有研究人員采用浸漬試劑法對MS進行了疏水親油改性,例如Liu等[19]通過浸漬法制備的石墨烯/三聚氰胺復合海綿具有疏水親油、穩定性高、對柴油吸附容量大等特性,可將其用于吸附輕質油品;Wang等[20]研究發現該復合海綿具有良好的光熱性能,可利用光照使重油升溫降粘,加快吸附重油速度.但大部分改性使用的浸涂試劑價格昂貴,或者浸涂后不能顯著提高產品性能,因此,有必要尋找廉價高效的改性方法.

三聚氰胺的結構為含氮的六元環,結構穩定、不易分解,且具有較高的含氮量,使其具有良好阻燃特性.Xin等[21]已有研究發現MS海綿在500℃乃至更高的溫度下碳化后,仍具有三維多孔結構和一定的抗壓強度,溫度越高,抗壓強度越低.本研究在氬氣氣氛中高溫煅燒MS海綿一步退火制備碳化三聚氰胺海綿(HMS)并進行一系列表征分析,測定其吸光性能、機械性能和吸附性能.自行搭建了模擬海上漏油吸附處理的實驗裝置,考察了HMS光熱吸附重油的能力.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

三聚氰胺海綿(MS,表觀密度為14.2kg/m3),北京可琳美高新材料有限公司;無水乙醇(分析純),國藥集團化學試劑有限公司;環己烷(分析純),國藥集團化學試劑有限公司;甲苯(分析純),國藥集團化學試劑有限公司;鄰苯二甲酸二丁酯(分析純),國藥集團化學試劑有限公司;四氯化碳(分析純),國藥集團化學試劑有限公司;重油(22℃時粘度為110873mPa·s),中國石化.

高功率數控超聲波清洗器(KQ-300KDE),昆山市超聲儀器有限公司;智能型電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9246A),上?，槴\實驗設備有限公司;單溫區管式爐(OTF-1200X),合肥科晶材料技術有限公司.

1.2 碳化三聚氰胺海綿(HMS)的制備

將MS切割成5×1.6×1.2cm3的長方體,用乙醇與去離子水超聲交替清洗3次,放入烘箱在60℃下干燥.將清洗干燥后的MS放入管式爐中,氬氣氣氛下400℃保持30min,一步退火后得到碳化三聚氰胺海綿,命名為HMS.

1.3 表征與測試

采用Gemini 500型掃描電子顯微鏡(德國Zeiss公司)觀察HMS的表面微觀形貌;采用ZR-SDJ-01型水接觸角測試儀(蘇州德菲諾電子有限公司)測試HMS的疏水性;采用Escalab 250XI型X射線光電能子譜儀(美國Thermo Scientific公司)、IS10型傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Scientific公司)對HMS組成結構進行分析;采用Cary 5000型紫外-可見-近紅外分光光度計(美國Agilent公司)對HMS的光吸收譜進行分析;采用WDW-200型微機控制電子萬能試驗機(上海雙旭電子有限公司)測試HMS的應力-應變曲線;采用CEL-HXF300型氙燈光源系統(北京中教金源科技有限公司)模擬太陽光,并采用H16型紅外攝像儀(杭州?？低晹底旨夹g股份有限公司)與K型熱電偶溫度計(臺灣泰仕TES儀器儀表有限公司)測試HMS在光照下吸附重油的光熱性能.

1.4 吸附海上漏油模擬實驗

模擬吸附海上泄漏重油情況,將HMS(1.5×1.5× 1.0cm3)吊起,一端連接天平,將盛有40mL水及20mL重油的燒杯置于升降臺,通過調整升降臺高度使HMS剛好接觸至油面,使用氙燈模擬太陽光,在一個太陽光(1kW/m2)下,天平記錄HMS在不同時刻吸油重量,紅外相機記錄海綿頂面溫度,K型熱電偶記錄海綿底面溫度.同時,為減少光照直接加熱重油而帶來的誤差,將帶有一方孔的一塊保溫泡沫置于燒杯頂層,使光僅照射至HMS表面.裝置示意圖如圖1所示.

圖1 吸附海上漏油模擬裝置示意

2 結果與討論

2.1 HMS表觀形貌及疏水親油性能

由MS與HMS的表觀照片(圖2)可以觀察到,HMS體積明顯收縮,收縮至MS的74.8%;同時HMS的質量減少到MS的54.8%.測其表觀密度,MS的表觀密度為14.2mg/cm3,而HMS的表觀密度顯著降至10.4mg/cm3.

圖2 MS與HMS的照片

為測試其疏水親油性,將亞甲基藍染色的水和甲基橙染色的柴油滴在MS與HMS表面.如圖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,這表明HMS在變為疏水性的同時保留了MS親油性的特征.進一步測試HMS的疏水角,如圖4所示,MS水接觸角為0°,為超親水;而HMS的疏水角為121.6°,為疏水性.HMS的疏水親油特性為利用其進行油水分離提供有力支持.

圖3 MS和HMS的疏水親油性測試

圖4 MS與HMS的水接觸角

HMS中孔隙體積的大小是決定其吸油容量的關鍵因素,基于MS與HMS共同的親油性,利用“排正丁醇法”[22]測其骨架體積,并用下式計算海綿的孔隙率(η).

式中:1、2分別為海綿骨架密度、表觀密度,mg/cm3;為海綿質量,mg;1、2分別為海綿骨架體積、表觀體積,cm3;為海綿的孔隙率,%.

計算得到MS的孔隙率為98.1%,HMS的孔隙率為96.4%,孔隙體積為92.23cm3/g.表明HMS雖體積收縮,但仍具有較高孔隙率,為吸附油品提供豐富孔道空間.

2.2 SEM分析

圖5 MS和HMS的SEM圖像

Fig.5 SEM image of MS and HMS

由圖5可知,MS具有豐富的孔道結構,孔徑在45～100μm,并且骨架表面平整光滑.經歷高溫碳化得到的HMS骨架收縮扭曲,孔徑縮小至25～85μm,且部分骨架斷裂,但仍具有豐富的孔道結構.這應與在400℃下HMS并未完全碳化有關[23],高溫使海綿骨架收縮扭曲,從而部分斷裂,但溫度并未達到使海綿完全斷裂坍塌的臨界溫度,仍存在豐富的孔道結構,利于油品的吸附.

2.3 XPS分析

利用XPS技術研究了HMS的化學元素組成.如圖6所示,MS與HMS均在相同位置出現C(284eV)、O(531eV、532eV)、N(398eV)、Na(1071eV)、S(168eV)元素的譜峰,但峰值與峰面積不同.根據峰面積計算得到HMS的C原子所占比例較MS顯著升高,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.這表明海綿熱解過程中去除了部分氧元素,實現部分碳化.

2.4 FT-IR分析

圖7 MS與HMS的FT-IR圖

為研究碳化后HMS的官能團變化,對MS和HMS進行了FT-IR表征分析,如圖7所示.其中MS的主要特征峰為:3361cm-1(N—H伸縮振動),1551cm-1(三聚氰胺環的呼吸振動),812cm-1(三嗪環的面內伸縮振動)這些均屬于三聚氰胺的特征峰,且還有1339cm-1(C—H面內彎曲振動),以及氧化組分(1000～1200cm-1);而HMS的三聚氰胺特征峰均減弱,且1000～1200cm-1的氧化組分的特征峰消失,1339cm-1處C—H伸縮振動增強,表明HMS經歷碳化后含氧基團大部分去除,三聚氰胺含量下降,C含量增加,這與之前XPS分析結果基本一致.

2.5 吸收光譜分析

材料對光的吸收能力是影響材料光熱性能的關鍵因素.MS與HMS在250～2500nm太陽光全光譜范圍內的吸收率如圖8所示.未改性的MS在全光譜范圍內的吸收率較低,平均光吸收率為24.9%.而HMS的光吸收率明顯提升,其中在可見光光譜范圍(400～780nm)和紫外光范圍(250～400nm)吸收率最高(97.08%);紅外光范圍(780～2500nm)較低,但仍明顯高于MS.HMS全光譜的平均光吸收率為79.1%,表明其具有良好的光吸收能力.

圖8 MS和HMS的吸收率

Fig.8 Absorption spectra of MS and HMS

2.6 壓縮回彈能力測試

電子萬能試驗機以100mm/min的速度加載,18mm/min的速度卸載,在70%應變下對MS與HMS進行了500次壓縮測試,其應力應變結果如圖9所示.MS與HMS的應力-應變曲線均存在一個滯后回環,表明二者在壓縮過程中的力學響應屬于典型的黏彈性行為,幾乎所有可壓縮碳材料都會發生這種現象[24-25].對于MS,隨著壓縮次數的增加,由于其內部結構變得更加緊實,最大應力呈增大趨勢,第1次、100次、300次、500次最大應力分別為47.1、54.6、54.5、56.7kPa,第300次較第100次略下降,可歸因于在此區間MS結構穩定,應力變化不明顯,第500次的最大應力相比第1次增加了20.4%.MS經歷高溫碳化后,內部結構的改變及碳含量的增加導致HMS機械性能降低,隨著壓縮次數的增加,海綿緊縮,最大應力先降低;當海綿被壓縮緊實到一定程度后,呈現出MS特性,最大應力又逐漸增加,第1次、100次、300次、500次壓縮HMS至70%形變的應力分別為16.5、14.7、22.3、24.9kPa.HMS經歷500次壓縮后,最大應力相比第1次增加了50.9%,如圖10所示,500次壓縮后的HMS外觀沒有明顯破損,但兩側向內收縮,呈現出負泊松比效應[26],仍具有一定彈性,高度仍能維持到原來的80%以上(壓縮前高度0.98cm,500次壓縮后中心高度0.80cm),表明HMS經歷碳化后仍具有良好的抗壓耐久性和循環性能,可以通過機械擠壓的方式回收油品,多次循環使用.

圖9 70%應變下MS和HMS的應力應變

圖10 500次壓縮前后HMS照片

2.7 輕質油品/有機溶劑吸附

圖11 吸附油品密度ρ與吸附量q關系

表1 文獻報道的三聚氰胺海綿改性方法及輕質油品/有機溶劑飽和吸附量對比

HMS豐富的孔道結構為吸附油品提供了充分的空間.選擇油品/有機溶劑密度由小到大的正己烷、環己烷、甲苯、鄰苯二甲酸二丁酯、四氯化碳測試HMS飽和吸附量,稱量吸附前后HMS質量變化.吸附所用油品密度與其飽和吸附量基本呈線性關系,如圖11所示,斜率即油品飽和吸附體積[27]為92.20cm3/g,而HMS計算得到的孔隙體積為92.23cm3/g,二者基本一致,孔道占有率約為100%,表明HMS內部孔隙基本被油品填滿,展現其優異的吸附性能.HMS對油品/有機溶劑的飽和吸附量為61-144g/g,表1對比了不同文獻的結果,與其他改性海綿相比,HMS的水接觸角較低,但吸附輕質油品/有機溶劑的能力較強.

2.8 HMS光熱吸附重油測試

圖12為所用重油的密度與粘度隨溫度變化的曲線,隨著溫度的升高,重油的密度變化不大,而粘度急劇降低,當升溫至46℃時,重油的粘度下降至1.7×103mm2/s,相比25℃下的粘度1.7×104mm2/s下降一個數量級.

圖12 重油密度與粘度隨溫度變化曲線

為考察HMS光熱性能對加熱吸附重油效果影響,在無光照和有光照下分別進行滴油測試.如圖13所示,無光下,HMS表面溫度為17.9℃,將一滴重油滴在HMS上,高粘度的重油在6h后仍然無法完全被吸附;而在1個太陽光 (1kW/m2)下,HMS表面溫度可以達到85.1℃,底面溫度可以達到55.5℃,將一滴重油滴在HMS表面后,僅在30s內重油即被完全吸附.結果表明,HMS海綿有潛力通過太陽能輔助加熱降低重油粘度,對其有效、快速地吸收.

圖13 HMS吸收一滴重油測試

采用圖1所示的海上漏油模擬吸附裝置進行實驗,吸油過程中(圖14所示),在0～2min的初始階段吸油速率較慢,為4.3g/(g·min),該階段屬于HMS表面導熱傳至底面并加熱重油的階段,HMS表面與底面溫度持續升高;在2～5min階段,隨著HMS持續加熱重油并吸附重油,吸油速度加快,為9.8g/(g·min), HMS表面溫度與底面溫度達到最大值;在5min之后,隨著吸附孔道的填滿,HMS表面由于重油的進入溫度稍有降低,底面溫度隨之略有降低,吸油速度逐漸降低,直至吸附飽和,飽和吸附量為99.1g/g.吸油平均速度約為5.5g/(g·min),展現了HMS優異的吸附性能和光熱性能.計算20～70℃重油的平均密度為0.9347g/cm3,由此估算吸附重油體積為106.02cm3/g,高于孔隙體積(92.20cm3/g),這是由于在此溫度范圍內重油的運動粘度雖然已顯著降低(最低為325.7mm2/s),但仍然偏高,例如環己烷在20℃下的運動粘度為1.2mm2/s,重油粘度仍要明顯高于輕油,吸附飽和后重油附著在HMS外表面,導致計算吸附體積偏大.

如圖15所示,重油的主要特征峰為: 2923cm-1、2858cm-1(C-H伸縮振動),1577cm-1、1705cm-1(雙鍵伸縮振動), 1456cm-1、1375cm-1(C-H面內彎曲振動),1056cm-1(C-O伸縮振動)及600～1000cm-1的C-H面外伸縮振動.吸附重油后HMS的主要特征峰與重油特征峰基本一致,重油主要成分并未變化,吸附為物理吸附.由于海綿表面粘稠的重油掩蓋多孔的海綿,未檢測到HMS的特征峰.

圖15 重油及HMS吸油前后FT-IR圖

表2對比了其他文獻中改性MS方法及材料光熱吸附重油能力,相較于石墨烯改性、聚多巴胺及聚二甲基硅氧烷改性,在較低的光照強度下,HMS表面可以升至較高溫度,吸附重油能力處于兩者之間;相較于碳納米管及聚吡咯改性,在相同光照強度下, HMS表面最高溫度較低,但吸附重油能力較強.

表2 文獻報道的三聚氰胺海綿改性方法及光熱吸附重油能力對比

為節約資源和保護環境,吸附劑的再生是關鍵因素.目前,報道的方法主要有燃燒法[35]、蒸餾法[36]、有機溶劑法[37]和機械擠壓法[38].燃燒法難以回收油品且易造成二次環境污染,蒸餾法雖可回收油品但耗能較大,有機溶劑法消耗大量有機溶劑溶解油品且降低油品純度,而機械擠壓法僅需外界加力,是一種簡單經濟環保的再生方式.將上述吸滿油的HMS在光照下機械擠壓回收重油,再重新用于光熱吸油,重復多次實驗,記錄其飽和吸附量及擠壓后材料重量,如圖16所示.由于重油的粘度仍較高,因此在擠壓回收過程中不可避免仍有重油殘留,首次脫附后,仍有一定的含油量,為20.5g/g.

圖16 HMS重復光照吸油飽和吸附量變化

圖17為HMS在一次光熱吸附重油并擠壓前后的照片,擠壓后HMS略有收縮.第一次與第二次飽和吸附量相差較大,這可能是由于在機械擠壓過程中,改變了HMS內部孔道結構,導致飽和吸附量減小.但隨著重復次數的增加,HMS內部孔道結構趨于穩定,飽和吸附量趨于穩定,10次吸附脫附后的吸附量由99.1g/g下降至81.6g/g,存在少量損失(17.7%),這說明HMS具有優良的循環吸附性能,在重油回收方面將會有很大前景.

圖17 HMS光熱吸附重油前后照片

3 結論

3.1 與浸涂試劑改性MS相比,MS高溫碳化改性,制備成本低、周期短,所制備的材料HMS具有較強的親油性、密度低、孔隙率高等特點.

3.2 MS在全光譜范圍內吸收率較低,平均光吸收率為24.9%;而HMS在太陽全光譜范圍內具有較高的吸收率,平均光吸收率為79.1%.

3.3 用萬能試驗機對HMS進行壓縮回彈測試發現,HMS具有優異的壓縮回彈能力,在70%應變下壓縮回彈500次后HMS仍能快速回彈至原始高度的80%以上,外觀沒有破損.

3.4 HMS可以快速吸附輕質油品,飽和吸附體積為92.20cm3/g,與HMS的孔隙體積92.23cm3/g基本一致,孔道占有率近100%.

3.5 HMS模擬吸附海上漏油情況,在1個太陽光下,HMS海綿溫度快速升高,有效降低了底面接觸的重油粘度并加快了吸附重油速度,最大吸附速率為9.8g/(g·min),吸附量高達99.1g/g左右;HMS海綿重復吸附重油10次時,對重油的飽和吸附量仍可保持在85.00g/g以上.

[1] 朱林超,王東光,顧佳鵬.海上石油的泄漏與防治[J]. 山東化工, 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] 帥異瑩.舟山海域石油烴污染調查及相關石油烴降解微生物的應用研究[D]. 杭州:浙江大學, 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] 韓 輝.重油在膠州灣沉積物上的吸附解吸行為及其影響因素研究[D]. 青島:中國海洋大學, 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] 趙 召.墨西哥灣漏油事件:前所未有的生態災難[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,任雋妮.從康菲漏油事件透視我國的海洋環境保護問題[J]. 理論導刊, 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] 景旭東,林海琳,閻 杰.秸稈纖維素吸油材料的研究進展[J]. 材料導報, 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,李文潔,彭 丹,等.漆酶改性玉米秸稈髓的制備及其吸油特性[J]. 中國環境科學, 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.溫度對導熱油粘度影響規律的研究[D]. 株州:湖南工業大學, 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] 葉 銳,張 路,付 豪,等.蜜胺泡綿的吸放水性研究與應用[J]. 塑料工業, 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] 韓 暢.一種排水法測量固體體積的裝置:中國,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 煒,楊 偉,李忠明,等.負泊松比材料研究進展[J]. 高分子通報, 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] 劉會娥,黃揚帆,馬雁冰,等.石墨烯基氣凝膠對有機物的飽和吸附能力[J]. 化工學報, 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,許春建,余國琮.吸附劑的蒸餾脫附再生方法:中國, 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] 沈萬慈,王魯寧,鄭永平,等.一種油污染吸附劑的制備及其回收再生方法:中國, 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] 黃揚帆.乳液法制備石墨烯基氣凝膠及其吸附性能研究[D]. 青島:中國石油大學(華東), 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,山東煙臺人,中國石油大學(華東)碩士研究生,主要研究方向為吸油材料研究.發表論文3篇.

2021-12-27

國家自然科學基金資助項目(22078366)

* 責任作者,教授, liuhuie@upc.edu.cn