一种用于溢油回收的疏水碳纤维气凝胶的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工程材料技术领域，具体涉及一种具有疏水特性，富含大量介孔，适于 泄漏油品吸附的微米级碳纤维气凝胶的制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济的快速增长，我国的石油消费量逐年递增，根据2015年最新年度《国内外 油气行业发展报告》分析，2014年我国石油表观消费量超过5.18亿吨。但经过三十多年的开 发，我国自给的陆地石油的储量迅速下降，一些传统的大型油田已经面临着资源衰竭的问 题。因而石油的对外依存度也逐年扩大。为了减小我国经济发展对石油输出国的依赖，近年 来，我国愈发重视海洋石油的开采，但随之而来的是日益增多的水上溢油事故，造成严重的 能源浪费、环境污染乃至安全隐患。据统计，我国近年沿岸海域船舶及海上钻井平台溢油事 故的溢出油量高达37000吨左右，其中50吨以上的重大溢油事故有69起，最严重的一次溢油 量约8000吨。不仅如此，由人为原因和自然腐蚀等因素造成的漏油呈现出逐年上升趋势。目 前主要通过物理方法(围油栏、撇油器、吸油毡等)和化学方法(溢油分散剂、凝固剂、就地燃 烧等）以及生物方法(微生物)等进行海上油污清理(郑立等，海洋学报2012,34,163-172;王 文华等，化工新型材料2013,41，151-154)。采用分散剂、微生物富养化以及燃烧等手段不仅 对生态环境带来二次破坏或污染，而且浪费日益短缺的能源油品。撇油器等机械方法收集 的溢油多为油水混合物，后期处理难度较大，同时对于粘度较小的石油，由于其扩散面积 大、油层薄等特点，很难利用传统的围油收集方式来清理。吸油毡、活性炭等材料可通过物 理吸附作用实现油水分离，但是其疏水性差（吸油的同时也吸水）、吸油倍率低、吸油速率 慢、脱附难度大（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
【发明内容】
[0003] 基于上述技术问题，本发明提供一种用于溢油回收的疏水碳纤维气凝胶的制备方 法。
[0004] 本发明所采用的技术解决方案是：
[0005] -种用于溢油回收的疏水碳纤维气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0006] a将原棉放入去离子水中洗涤，洗涤完成后整塑成固定形状，置于真空干燥箱中干 燥；
[0007] b将干燥后的原棉放置于管式加热炉中，排净管内空气后充入惰性气体，将管式加 热炉内温度升至碳化反应温度，进行碳化反应，反应期间保持惰性气体持续通入；
[0008] c碳化反应完成后，将反应产物冷却至室温，随后取出；
[0009] d将步骤c冷却后的反应产物浸渍于含有纳米二氧化硅颗粒的正己烷溶液中，对其 进行表面处理，表面处理完成后取出，置于烘箱内干燥，得到疏水碳纤维气凝胶。
[0010]步骤a中:所述洗涤后原棉干燥时间优选>10小时;干燥温度优选为l〇〇°C。
[0011] 步骤b中：将管式加热炉内温度按一定升温速率升至加热温度，升温速率优选为5 °C/分钟。
[0012] 步骤b中：所述碳化反应温度优选为400~800°C ;碳化时间优选为1~2小时。
[0013]步骤d中：含有纳米二氧化硅颗粒的正己烷溶液中纳米二氧化硅颗粒的浓度优选 为0·007g/ml~0·015g/ml。
[0014] 步骤d中：浸渍时间优选为0.5~1小时。
[0015] 步骤d中：干燥温度优选为100°C ;干燥时间优选>6小时。
[0016] 本发明所述反应过程中加热设备可采用管式加热炉或者气相沉积设备(含广口石 英管）；洗涤步骤需使用真空抽滤设备。
[0017] 本发明的有益技术效果是：
[0018] 本发明提出的疏水碳纤维气凝胶制备方法简单高效，原料成本低，生产效率高(耗 时短），产品形貌易于调控，同时可大规模生产，有助于产品从实验室制备向工业应用的转 化。在实验室制备过程中可通过调节碳化反应温度、时间、气氛来调控碳纤维气凝胶的比表 面积和最可几孔径。在实际生产过程中，可根据具体情况按比例放大生产。
[0019] 本发明生产的碳纤维气凝胶具有良好的疏水性能(润湿角>130°)，吸油倍率高(最 高可达自重71倍），对大多数挥发性有机溶剂和油品具有优良的吸附性能（汽油、原油、栗 油、甲基硅油、苯、甲苯、乙苯、乙醇、丁醇、十八烯等），弹性好，耐挤压，可实现油品的快速吸 脱附，机械稳定性优良。碳纤维气凝胶中纤维直径尺寸在3±0.6微米范围内，长度大于10毫 米，呈螺旋状，表面覆盖有大量纳米二氧化硅颗粒，形成丰富的多孔结构。该气凝胶比表面 积大于360m 2/g，最可几孔径为2.8,3.1纳米，孔径分布范围为2~17纳米。
[0020] 本发明制备的疏水碳纤维气凝胶具有广泛的用途，可作为新型隔热、阻燃材料和 油气吸附回收材料等。
【附图说明】
[0021 ]图1为疏水碳纤维气凝胶制备装置示意图；
[0022]图2为表面处理前碳纤维照片，其中a，b为体视显微镜照片，c，d为扫描电子显微镜 照片；
[0023]图3为表面处理后碳纤维扫描电子显微镜照片；
[0024]图4为疏水碳纤维气凝胶BET分析图。
【具体实施方式】
[0025]针对现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、真空脱附难 度高以及吸脱附速率慢等缺陷，本发明提供一种疏水碳纤维气凝胶的制备方法。该方法通 过惰性气体(如氮气、氩气等)保护气氛中高温碳化手段，对天然原棉进行处理，随后对所得 样品进行表面疏水改性，制备了一种具有高比表面积、疏水特性、吸油倍率、理想的机械柔 韧性、弹性，可实现水体中溢油吸附回收的碳纤维气凝胶材料。本发明所得到的气凝胶中所 含碳纤维为螺旋状，表面覆盖有大量疏水二氧化硅纳米颗粒。采用本发明制备方法得到的 气凝胶中碳纤维长度超过10毫米，直径在3微米左右，长径比大于3000。相对于传统溢油吸 附材料，该种新型碳纤维气凝胶可以吸附多种有机溶剂和油品，最大吸附倍率可超过自重 的70倍;而且由于内部孔隙多为介孔、大孔，因此脱附真空度低、脱附率高。另外，天然原棉 材料价格低廉，重复使用性高，而且碳化工艺可以实现连续生产，表面处理耗时短、生产效 率高。因此，该材料在溢油回收领域具有广阔的应用前景和商业价值。
[0026] 本发明提出的基于天然原棉碳纤维气凝胶制备方法，首先以原棉为反应原料，惰 性气体为保护气氛，通过高温碳化制取棉碳纤维;然后通过浸渍法获得纤维表面包覆疏水 二氧化娃纳米颗粒的碳纤维气凝胶材料。
[0027] 下面通过实施例进一步描述内嵌疏水碳纤维气凝胶