基于特殊浸润多孔材料的海洋油污在线监测技术和应急处理装备的应用基础研究

Real-time monitoring and in-time clearance of near sea oil pollution are hot and difficult points in the field of marine environment protection. A new idea of on-line monitoring and in-time treatment of marine oil pollution based on super wetting porous materials is put forward in this project, which includes: 1) Based on systematic research on the morphology and surface property control of porous materials, develop high-speed and high-capacity super hydrophobic oil-wetting materials with multi-dimensional pore structures, for real-time monitoring and in-time removal of marine oil pollution; 2) Develop real-time marine oil pollution monitoring systems by monitoring oxygen signal change in the pores of super hydrophobic oil-wetting absorbing materials; 3) Develop super wetting oil/water separation membranes and study their performance in recovering oil from oil-bearing seawater; 4) Develop integrated cleanup equipment for efficient, rapid, continuous and automatic clearance of oil pollution from near sea and research into the structure and activity evolution of the super wetting oil-absorbing materials in the marine environment，explore the feasibility of unmanned continuous recovery of spilled oil from the near sea environments.

海洋油污在线监测与应急处理是海洋环境保护领域的研究热点和难点。为此，本项目提出基于特殊浸润多孔材料构建海洋油污在线监测技术和应急处理装备的新思路，开展应用基础研究，主要内容包括：1）基于多孔材料形态结构与表面浸润性调控机制的系统研究，集成多种先进制备技术，构建具有多尺度孔结构的快速高容量超疏水特殊浸润吸油材料，为海洋油污在线监测和应急处理提供材料基础；2）通过研究超疏水特殊浸润吸油材料因吸油引起的孔内氧传感器监测的信号值变化规律，构建海洋油污实时在线监测及预警体系，为海洋溢油监视系统等提供配套支持；3）构建特殊浸润油水分离膜材料并研究其在含海水废油净化回收和含油海水达标排放应用中的构效关系，为开发的高效海洋油污回收装备提供配套支持；4）构建新型集溢油吸附-回收-分离于一体的智能溢油应急装备，研究高选择性特殊浸润吸收油材料在海洋环境中的构效演变规律，探索近海溢油自动化、无人化回收的可行性。

耦合相分离和异形纺丝技术，成功制备了具有亚微米孔结构的圆形、C型、Y型和中空型聚丙烯异形截面纺粘无纺布材料，找到了连续稳定制备多孔C形截面纤维纺粘无纺布的条件（DOP/DBP（a）<1:1，熔体流速20-35 cc/min，牵伸速度1400-3000 r/min），得到的材料具有更高的吸油速率倍率及更好的循环使用性（模拟原油的吸附倍率从现有材料的 20-30 倍提升到 60-80倍，并可在40-60秒内实现吸附饱和）；结合静电纺丝与冷冻干燥技术，制备了超轻质（~13 mg/cm3）PAN@PDMS纤维气凝胶,具有超高的吸油倍率（55–127倍），优异的油水分离效率（＞99.47 wt%）和循环使用性能。基于疏水吸油材料与氧传感器，构建了海上溢油在线监测体系和智慧管理平台，用于监测油污在振动的模拟海水中的泄漏；定性研究发现，纤维截面异形化、本体多孔化、表面超疏水化都提升峰高信噪比；定量研究发现，峰高信噪比与水中的乳化油含量呈线性正相关，定量响应时间与水中乳化油量ln值呈线性负相关；峰高信噪比与水上油层厚度的ln值呈线性正相关、峰面积与水上油污油层厚度呈线性正相关。针对含盐油水混合物的分离，构筑了系列特殊浸润油水分离膜材料，研究了制膜方法（相转化）、表面修饰方法（原位交联、原位聚合）、功能化纳米材料（纳米钛、纳米分子筛、纳米聚电解质）等对膜表面及通道结构、膜表面超浸润行为的影响，阐明了油-水-膜三相界面作用与膜油水选择性传质效率间的内在联系；考察了油水分离膜在海水中长期稳定性及结构演变规律，开发了高通量高分离效率膜材料（通量500-3000 L/m2.h.Bar，分离效率99.4-99.9%）。构建了集溢油监测-吸附-回收-分离于一体的智能溢油自动监测和开启的应急装备，成功在30 m2 模拟海水域开展油污清除示范应用，响应时间45 秒，油相自动连续回收回用和水相分离达标排放；分离回收废油水含量0.07-0.08%(<<1%), 分离排放废水油含量10-11ppm (<15ppm) ；发现多孔C形纤维带油量最大, 在 6.4 m/min速度下，溢油吸附回收量达2.68 L/h·g (比普通吸油毡高74%), 初级带水量仅为1.8%；履带转速加快，初级带水量增多；表面疏水改性后带水量和吸附回收量都下降。