Okyanus süperhidrofobik - süper lipofilik yağ-su ayırma malzemesi - size net bir dalga verir
Petrol, "siyah altın" ve "modern endüstrinin kanı" olarak bilinir ve modern endüstri ve enerjide önemli bir rol oynar. Bununla birlikte, son yıllarda deniz kaynaklarının kullanımı ve taşınması daha sık hale geldikçe, açık deniz petrol sızıntıları gibi acil durumların sıklığı gittikçe daha sık hale geldi ve ortaya çıkan deniz çevre kirliliği ve ekonomik kayıplar gittikçe daha ciddi hale geldi. "Kexon Valdez" tankerinin sızıntısı, ABD Meksika Körfezi'ndeki ham petrol sızıntısı ve Penglai petrol sahasındaki petrol sızıntısı gibi kazalar sadece büyük ekonomik kayıplara değil, deniz ekolojik ortamına da ciddi zararlar vermiştir.
Denizdeki petrol sızıntıları için acil tedavi yöntemleri
Şekil 1 Acil arıtma yöntemleri ve denizdeki petrol sızıntısının ana sorunları
Bir petrol sızıntısı meydana geldikten sonra, genellikle petrolün yayılmasını sınırlandırmak için sızıntının kontrol altına alınması ve kontrol edilmesi ve ardından fiziksel, kimyasal, biyolojik ve diğer yöntemlerle ele alınması benimsenir (Şekil 1).
Fiziksel yöntemde, dökülen petrolün adsorbe edilmesi, geri kazanılması ve yeniden kullanılması için emici malzemelerin kullanılması, kazara dökülen petrolün atılması için etkili bir yöntemdir. Petrol sızıntısı adsorpsiyon malzemeleri genellikle gözenekli ve lipofilik malzemelerdir Dökülen yağ, kılcal kuvvet yoluyla malzemenin gözeneklerinde emilip depolanabilir ve gözeneklere adsorbe edilen dökülen yağ, santrifüj ve ekstrüzyon gibi dış kuvvetlerle geri kazanılabilir.
Yaygın olarak kullanılan adsorpsiyon malzemeleri başlıca şunları içerir: perlit, kil, zeolit gibi inorganik gözenekli adsorpsiyon malzemeleri; odun lifi, saman, odun talaşı gibi doğal organik malzemeler; sentetik adsorpsiyon malzemeleri, polipropilen elyaf keçe, poliüretan köpük, polistiren elyaf vb. Petrol dökülmelerinin dağılması, buharlaşması ve okyanus dalgalarının etkisi altında emülsifiye edilmesi kolay olduğu için, petrol sızıntısının imhası için kullanılan emici malzemeler hızlı yağ emilimi, yüksek yağ emilimi ve düşük su emilimi özelliklerine sahip olmalıdır.
Bununla birlikte, bu geleneksel adsorbanlar, zayıf yağ-su seçiciliğine sahiptir ve yağ absorpsiyonu işlemi sırasında suyu absorbe eder; yavaş yağ absorpsiyon hızı ve yüksek viskoziteli petrolün düşük verimliliği, petrol sızıntısı acil durum müdahalesinde adsorban malzemelerin uygulanmasını kısıtlar.
Adsorpsiyon malzemelerinin yağ-su seçiciliği nasıl iyileştirilir
Şekil 2 Katı yüzey temas açısının şematik diyagramı
İdeal yağ sızıntısı emici sadece yağı emmeli, suyu emmemelidir.Emici malzemenin sadece yağı emdiği ancak suyu emmediği, aynı zamanda katı yüzeyin ıslatılabilirliğinden de başladığı nasıl anlaşılır.
Sıvının katı yüzeye yayılıp yayılamayacağını değerlendirmek için temas açısını kullanırız. Havada, ideal bir katı yüzeye bir sıvı damlası yerleştirilir (katı yüzey kesinlikle pürüzsüzdür ve özellikler tek tiptir) ve temas açısı (Şekil 2), katı-gaz-sıvı sisteminin en düşük enerjisidir. Arayüzler arasında oluşan açı 1805 yılında İngiliz fizikçi T. Young tarafından önerildi. Katı yüzey üzerindeki sıvının ıslanabilirliği, genellikle sınır olarak 90 ° olan sıvı temas açısına göre değerlendirilebilir, > 90 ° liyofobiktir (sıvı katı yüzeye kendiliğinden yayılamaz), < 90 ° liyofiliktir (sıvı kendiliğinden katı yüzeye yayılabilir).
Bu nedenle emici malzeme suyu emmez, sadece yağı emer Malzemenin su ile temas açısının mümkün olduğu kadar arttırılması ve yağa temas açısının azaltılması, yani malzemenin hidrofobikliğinin ve lipofilikliğinin arttırılması gerekmektedir. Bu son derece seçici adsorpsiyon malzemesi nasıl tasarlanır?
Deniz süperhidrofobik-süper lipofilik yağ-su ayırma malzemesinin tasarımı
Şekil 3 Kaz ve ördek tüylerinin yapısı
Şekil 4 Süperhidrofobik yüzeyin şematik diyagramı
Son yıllarda ortaya çıkan biyonik teknoloji, petrol sızıntısı bertarafı için emici malzemelerin geliştirilmesi için yeni fikirler sağlamıştır. Doğada ördekler ve kazların tüyleri suya yapışmaz, ancak petrole yapışması kolaydır çünkü bu hayvan tüylerinin yüzeyleri benzersiz mikro-nano yapılara (Şekil 3) ve düşük yüzey enerjili moleküllere sahiptir.
Bir yandan düşük yüzey enerjili moleküller ile su arasındaki etkileşim kuvveti çok düşüktür, bu nedenle su damlacıkları düşük yüzey enerjili moleküllerden oluşan yüzeyde küresel bir şekle bürünme eğilimindedir; diğer yandan mikro-nano yapı yüzey havasını hapsederek bir hava tabakası oluşturabilir (Şekil 4) , Katı yüzey ve suyun temas alanını azaltın. Mikro-nano yapının ve düşük yüzey enerjili moleküllerin sinerjik etkisi altında, su damlacıkları bu yüzeyde 150 ° 'den büyük bir temas açısı ve süperhidrofobik durum denilen küçük bir eğim açısı (10 °' den az) ile yuvarlanabilir. Ve yağın yüzey gerilimi (lv = 20-30 mNm-1) sudan çok daha küçük olduğundan (lv = 72.1 mN m-1), birçok yüzeyi kendiliğinden ıslatabilir ve süper lipofilik bir durum gösterebilir (yağ temas açısı 10 °).
Bu nedenle, yüzey mikro-nano yapısının tasarımı ve düşük yüzey işlemi sayesinde, yağ emici malzemenin yağ emilimi ve hidrofobikliği etkili bir şekilde iyileştirilebilir.Aynı zamanda, yüzey mikro-nano yapısının neden olduğu kılcal kuvvet, yağ tabakasına adsorpsiyon kapasitesini büyük ölçüde arttırır.
Denizde süperhidrofobik-süper lipofilik yağ-su ayırma malzemelerinin araştırılması ve büyük ölçekli üretimi
Şekil 5 Süper hidrofobik-süper lipofilik petrol sızıntısı emici malzeme ve büyük ölçekli üretim
Birkaç gün önce, Ningbo Malzeme Teknolojisi ve Mühendisliği Enstitüsü'nün deniz çevre malzemeleri ekibi, Çin Bilimler Akademisi bir dizi süper hidrofobik-süper lipofilik malzeme geliştirdi ve bu malzemelere dayalı yeni akıllı petrol sızıntısı acil durum cihazları geliştirdi.
Malzemenin gözenek boyutu, yapı tasarımı ve yüzey enerjisinin kontrolü ile suda ham petrol, ağır yağ, hafif yağ, dizel, benzin, organik kimyasal sıvı ve su altı organiklerinde kullanılabilen süper hidrofobik-süper lipofilik metal ve polimer malzemeler geliştirilmiştir. Kimyasal sıvıların verimli adsorpsiyonu ve geri kazanımı. Ek olarak, zorlu deniz ortamına uyum sağlamak için, korozyona karşı oldukça dayanıklı bir kaplama geliştirilmiştir.
Şu anda, ilgili teknolojiler ve üretim hatları aktarılmış ve dönüştürülmüş ve Fengxian, Shanghai ve Dongying, Shandong'da günlük 60.000 metrekarelik bir üretim ölçeği oluşturan iki üretim üssü kurulmuştur. Bu teknolojiye dayanarak, süper hidrofobik yağ emici keçe malzemeleri, süper hidrofobik üç boyutlu kumaş malzemeleri, süper hidrofobik ağ malzemeleri, yüksek performanslı yağlı çit malzemeleri ve su altı organik adsorpsiyon malzemeleri gibi bir dizi ürün geliştirilmiştir.
Deniz aşırı ıslatma yağ-su ayırma akıllı ekipman sistemi
Şekil 6 Deniz aşırı ıslatma petrol-su ayrımı için akıllı ekipman sisteminin şematik diyagramı
Geliştirilmiş yağ emici ağ ve yağı emen gözenekli malzemelere dayanan deniz çevre malzemeleri ekibi, 50.000 metrekarelik akıllı bir deniz petrol sızıntısı acil durum ekipman sistemi geliştirmek için Shanghai Beidou Endüstri Parkı'ndaki ilgili şirketlerle birlikte çalışıyor.
Akıllı petrol sızıntısı acil durum sistemi, petrol sızıntısı deniz görüntü işleme sistemi aracılığıyla petrol sızıntısı olaylarını tespit etmek için Beidou navigasyon sistemini ve dronları kullanabilir. Bir petrol sızıntısı bulunduğunda, sistem ilgili petrol sızıntısı geri kazanım cihazını seçecek ve denizdeki petrol sızıntısı kazasıyla başa çıkmak için insansız gemiyi ve petrol sızıntısı kurtarma cihazını otomatik olarak petrol sızıntısı kazasının olduğu yere yönlendirecektir. Lipofilik ve hidrofobik malzemenin süper hidrofobik özelliklerinden dolayı su yüzeyine çekildiğinde son derece düşük dirence sahiptir, bu nedenle sistem adsorban malzemeyi petrol sızıntısı kaza mahalline yüksek hızda çekmek için iki insansız gemi kullanır.
Adsorban malzeme yerleşik biyonik yağ emme boru hattına, ağ yapısına, boru hattı pompasına, iki aşamalı arıtma sistemine ve çevrimiçi yağ içeriği algılama sistemine sahiptir. Malzeme yağ lekelerini emdikten sonra boru hattı pompasından geçerek adım adım saflaştırma yağı depolama kesesine girer.Yağ depolama kesesindeki süper oleofobik-süper hidrofilik malzeme kullanılarak adım adım ayrılır ve saflaştırılır ve son olarak adsorpsiyon malzemesinin dışında yağ depolama gemisine taşınır. Katman, dalgaların malzemeyi parçalamasını veya zarar vermesini önlemek için ağ benzeri esnek bir fiber yapı kullanır.Çevrimiçi izleme cihazı, deniz alanının su kalitesinin standardı karşılayıp karşılamadığını kontrol etmek için yağ emildikten sonra deniz suyunun çevrimiçi incelemesini gerçekleştirir.Deniz bölgesinin su kalitesi standardı karşılamıyorsa, sistem tekrar temizleyecektir.
Araştırma sonuçlarının, petrol sızıntıları meydana geldiğinde hızlı ve verimli bir şekilde arıtılmasını ve petrol dökülmelerinin giderilmesini gerçekleştirmesi bekleniyor.
