一種用于溢油回收的疏水碳纖維氣凝膠的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工程材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有疏水特性，富含大量介孔，適于 泄漏油品吸附的微米級碳纖維氣凝膠的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟的快速增長，我國的石油消費量逐年遞增，根據(jù)2015年最新年度《國內(nèi)外 油氣行業(yè)發(fā)展報告》分析，2014年我國石油表觀消費量超過5.18億噸。但經(jīng)過三十多年的開 發(fā)，我國自給的陸地石油的儲量迅速下降，一些傳統(tǒng)的大型油田已經(jīng)面臨著資源衰竭的問 題。因而石油的對外依存度也逐年擴大。為了減小我國經(jīng)濟發(fā)展對石油輸出國的依賴，近年 來，我國愈發(fā)重視海洋石油的開采，但隨之而來的是日益增多的水上溢油事故，造成嚴(yán)重的 能源浪費、環(huán)境污染乃至安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，我國近年沿岸海域船舶及海上鉆井平臺溢油事 故的溢出油量高達(dá)37000噸左右，其中50噸以上的重大溢油事故有69起，最嚴(yán)重的一次溢油 量約8000噸。不僅如此，由人為原因和自然腐蝕等因素造成的漏油呈現(xiàn)出逐年上升趨勢。目 前主要通過物理方法(圍油欄、撇油器、吸油氈等)和化學(xué)方法(溢油分散劑、凝固劑、就地燃 燒等）以及生物方法(微生物)等進行海上油污清理(鄭立等，海洋學(xué)報2012,34,163-172;王 文華等，化工新型材料2013,41，151-154)。采用分散劑、微生物富養(yǎng)化以及燃燒等手段不僅 對生態(tài)環(huán)境帶來二次破壞或污染，而且浪費日益短缺的能源油品。撇油器等機械方法收集 的溢油多為油水混合物，后期處理難度較大，同時對于粘度較小的石油，由于其擴散面積 大、油層薄等特點，很難利用傳統(tǒng)的圍油收集方式來清理。吸油氈、活性炭等材料可通過物 理吸附作用實現(xiàn)油水分離，但是其疏水性差（吸油的同時也吸水）、吸油倍率低、吸油速率 慢、脫附難度大（Bayat，A.;et al.Chemical Engineering&Technology 2005,28,1525-1528；Gui,X.；et al.Advanced Materials 2010,22,617-621；Raj,K.G.；et al.Journal of Environmental Chemical Engineering 2015,3,2068-2075·)〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 基于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于溢油回收的疏水碳纖維氣凝膠的制備方 法。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是：
[0005] -種用于溢油回收的疏水碳纖維氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：
[0006] a將原棉放入去離子水中洗滌，洗滌完成后整塑成固定形狀，置于真空干燥箱中干 燥；
[0007] b將干燥后的原棉放置于管式加熱爐中，排凈管內(nèi)空氣后充入惰性氣體，將管式加 熱爐內(nèi)溫度升至碳化反應(yīng)溫度，進行碳化反應(yīng)，反應(yīng)期間保持惰性氣體持續(xù)通入；
[0008] c碳化反應(yīng)完成后，將反應(yīng)產(chǎn)物冷卻至室溫，隨后取出；
[0009] d將步驟c冷卻后的反應(yīng)產(chǎn)物浸漬于含有納米二氧化硅顆粒的正己烷溶液中，對其 進行表面處理，表面處理完成后取出，置于烘箱內(nèi)干燥，得到疏水碳纖維氣凝膠。
[0010]步驟a中:所述洗滌后原棉干燥時間優(yōu)選>10小時;干燥溫度優(yōu)選為l〇〇°C。
[0011] 步驟b中：將管式加熱爐內(nèi)溫度按一定升溫速率升至加熱溫度，升溫速率優(yōu)選為5 °C/分鐘。
[0012] 步驟b中：所述碳化反應(yīng)溫度優(yōu)選為400~800°C ;碳化時間優(yōu)選為1~2小時。
[0013]步驟d中：含有納米二氧化硅顆粒的正己烷溶液中納米二氧化硅顆粒的濃度優(yōu)選 為0·007g/ml~0·015g/ml。
[0014] 步驟d中：浸漬時間優(yōu)選為0.5~1小時。
[0015] 步驟d中：干燥溫度優(yōu)選為100°C ;干燥時間優(yōu)選>6小時。
[0016] 本發(fā)明所述反應(yīng)過程中加熱設(shè)備可采用管式加熱爐或者氣相沉積設(shè)備(含廣口石 英管）；洗滌步驟需使用真空抽濾設(shè)備。
[0017] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：
[0018] 本發(fā)明提出的疏水碳纖維氣凝膠制備方法簡單高效，原料成本低，生產(chǎn)效率高(耗 時短），產(chǎn)品形貌易于調(diào)控，同時可大規(guī)模生產(chǎn)，有助于產(chǎn)品從實驗室制備向工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn) 化。在實驗室制備過程中可通過調(diào)節(jié)碳化反應(yīng)溫度、時間、氣氛來調(diào)控碳纖維氣凝膠的比表 面積和最可幾孔徑。在實際生產(chǎn)過程中，可根據(jù)具體情況按比例放大生產(chǎn)。
[0019] 本發(fā)明生產(chǎn)的碳纖維氣凝膠具有良好的疏水性能(潤濕角>130°)，吸油倍率高(最 高可達(dá)自重71倍），對大多數(shù)揮發(fā)性有機溶劑和油品具有優(yōu)良的吸附性能（汽油、原油、栗 油、甲基硅油、苯、甲苯、乙苯、乙醇、丁醇、十八烯等），彈性好，耐擠壓，可實現(xiàn)油品的快速吸 脫附，機械穩(wěn)定性優(yōu)良。碳纖維氣凝膠中纖維直徑尺寸在3±0.6微米范圍內(nèi)，長度大于10毫 米，呈螺旋狀，表面覆蓋有大量納米二氧化硅顆粒，形成豐富的多孔結(jié)構(gòu)。該氣凝膠比表面 積大于360m 2/g，最可幾孔徑為2.8,3.1納米，孔徑分布范圍為2~17納米。
[0020] 本發(fā)明制備的疏水碳纖維氣凝膠具有廣泛的用途，可作為新型隔熱、阻燃材料和 油氣吸附回收材料等。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為疏水碳纖維氣凝膠制備裝置示意圖；
[0022]圖2為表面處理前碳纖維照片，其中a，b為體視顯微鏡照片，c，d為掃描電子顯微鏡 照片；
[0023]圖3為表面處理后碳纖維掃描電子顯微鏡照片；
[0024]圖4為疏水碳纖維氣凝膠BET分析圖。
【具體實施方式】
[0025]針對現(xiàn)有商用活性炭等溢油回收材料成本高、吸油倍率低、疏水性差、真空脫附難 度高以及吸脫附速率慢等缺陷，本發(fā)明提供一種疏水碳纖維氣凝膠的制備方法。該方法通 過惰性氣體(如氮氣、氬氣等)保護氣氛中高溫碳化手段，對天然原棉進行處理，隨后對所得 樣品進行表面疏水改性，制備了一種具有高比表面積、疏水特性、吸油倍率、理想的機械柔 韌性、彈性，可實現(xiàn)水體中溢油吸附回收的碳纖維氣凝膠材料。本發(fā)明所得到的氣凝膠中所 含碳纖維為螺旋狀，表面覆蓋有大量疏水二氧化硅納米顆粒。采用本發(fā)明制備方法得到的 氣凝膠中碳纖維長度超過10毫米，直徑在3微米左右，長徑比大于3000。相對于傳統(tǒng)溢油吸 附材料，該種新型碳纖維氣凝膠可以吸附多種有機溶劑和油品，最大吸附倍率可超過自重 的70倍;而且由于內(nèi)部孔隙多為介孔、大孔，因此脫附真空度低、脫附率高。另外，天然原棉 材料價格低廉，重復(fù)使用性高，而且碳化工藝可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，表面處理耗時短、生產(chǎn)效 率高。因此，該材料在溢油回收領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。
[0026] 本發(fā)明提出的基于天然原棉碳纖維氣凝膠制備方法，首先以原棉為反應(yīng)原料，惰 性氣體為保護氣氛，通過高溫碳化制取棉碳纖維;然后通過浸漬法獲得纖維表面包覆疏水 二氧化娃納米顆粒的碳纖維氣凝膠材料。
[0027] 下面通過實施例進一步描述內(nèi)嵌疏水碳纖維氣凝膠