一種用于溢油回收的疏水碳纖維氣凝膠的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于工程材料技術領域，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】
[0002] 隨著經濟的快速增長，我國的石油消費量逐年遞增，根據2015年最新年度《國內外 油氣行業發展報告》分析，2014年我國石油表觀消費量超過5.18億噸。但經過三十多年的開 發，我國自給的陸地石油的儲量迅速下降，一些傳統的大型油田已經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。為了減小我國經濟發展對石油輸出國的依賴，近年 來，我國愈發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，造成嚴重的 能源浪費、環境污染乃至安全隱患。據統計，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37000噸左右，其中50噸以上的重大溢油事故有69起，最嚴重的一次溢油 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、微生物富養化以及燃燒等手段不僅 對生態環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
【發明內容】
[0003] 基于上述技術問題，本發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] 本發明所采用的技術解決方案是：
[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，排凈管內空氣后充入惰性氣體，將管式加 熱爐內溫度升至碳化反應溫度，進行碳化反應，反應期間保持惰性氣體持續通入；
[0008] c碳化反應完成后，將反應產物冷卻至室溫，隨后取出；
[0009] d將步驟c冷卻后的反應產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選>10小時;干燥溫度優選為l〇〇°C。
[0011] 步驟b中：將管式加熱爐內溫度按一定升溫速率升至加熱溫度，升溫速率優選為5 °C/分鐘。
[0012] 步驟b中：所述碳化反應溫度優選為400~800°C ;碳化時間優選為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選 為0·007g/ml~0·015g/ml。
[0014] 步驟d中：浸漬時間優選為0.5~1小時。
[0015] 步驟d中：干燥溫度優選為100°C ;干燥時間優選>6小時。
[0016] 本發明所述反應過程中加熱設備可采用管式加熱爐或者氣相沉積設備(含廣口石 英管）；洗滌步驟需使用真空抽濾設備。
[0017] 本發明的有益技術效果是：
[0018] 本發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，生產效率高(耗 時短），產品形貌易于調控，同時可大規模生產，有助于產品從實驗室制備向工業應用的轉 化。在實驗室制備過程中可通過調節碳化反應溫度、時間、氣氛來調控碳纖維氣凝膠的比表 面積和最可幾孔徑。在實際生產過程中，可根據具體情況按比例放大生產。
[0019] 本發明生產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 高可達自重71倍），對大多數揮發性有機溶劑和油品具有優良的吸附性能（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，可實現油品的快速吸 脫附，機械穩定性優良。碳纖維氣凝膠中纖維直徑尺寸在3±0.6微米范圍內，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，形成豐富的多孔結構。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，可實現水體中溢油吸附回收的碳纖維氣凝膠材料。本發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，重復使用性高，而且碳化工藝可以實現連續生產，表面處理耗時短、生產效 率高。因此，該材料在溢油回收領域具有廣闊的應用前景和商業價值。
[0026] 本發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嵌疏水碳纖維氣凝膠