[发明专利]一种石墨烯聚氨酯海绵及其制备方法与应用

说明书

本发明属于水污染和油水分离领域，具体地涉及一种石墨烯聚氨酯海绵及其制备方法与应用。本发明的石墨烯聚氨酯海绵，其原料按重量份包括：聚醚多元醇50‑100份，胺催化剂0.1‑0.5份，锡类催化剂0.1‑0.5份，泡沫稳定剂0.5‑3份，水0.5‑7份，10‑50份的石墨烯改性剂和30‑60份的甲苯二异氰酸酯。本发明的石墨烯聚氨酯海绵韧性好，压缩效果好，疏水能力强，耐强酸、强碱和高盐，油水分离效率达到99.99％，不仅可吸收水面上的油(轻油)，而且可吸收水下的油(重油)。

技术领域

本发明属于水污染和油水分离领域，具体地涉及一种石墨烯聚氨酯海绵及其制备方法与应用。

背景技术

随着全球经济的日益发展，对石油及其产品的需求越来越高，在石油的开采和 运输过程中，出现了许多严重的溢油污染事故。据统计，世界上每年因各种事故流 入大海的溢油高达3000～5000kt，这不仅对海洋生态平衡和生态环境造成了严重的 污染，也造成了资源的巨大浪费。2010年，发生在墨西哥湾，由钻井平台爆炸引起 的原油溢海事故给当地环境造成了巨大的、难以恢复的伤害；2013年，发生在青岛 的“11.22”黄潍输油管线爆炸事故，造成原油泄漏，部分原油溢入青岛海域，也给人 民的生命财产安全带来了巨大的伤害。如何有效治理溢油一直是各个国家和机构研 究的重点之一，经过长期的探索和努力，现有的主要的溢油治理措施包括：(1)通过 石油烃类降解菌对海洋溢油和油渍进行降解；(2)原位燃烧；(3)投加化学处理剂，如 分散剂、集油剂、凝油剂等；(4)物理方法，使用围油栏把海洋表面的油污围起来， 然后再通过吸油材料将溢油收集起来。在这些现有技术中，使用吸油材料从水中去 除油类物质被认为是在油污处理中最有效的对策，它具有高效、经济、油品易回收 等特点。如今广泛使用的吸油材料包括沸石、活性炭、有机黏土、稻草、羊毛、海绵和纤维。海绵具有丰富的三维孔隙，能够储存大量的油，但海绵一般没有油水选 择性，因此不能直接使用。通过一定的材料改性，可以让海绵在保持较高吸油倍率 的同时，具有油水选择性，即只吸油不吸水。例如：目前公开了多种用于油水分离 的改性海绵的材料，如英国《能源与环境科学》(EnergyEnvironmental Science，2012 年5期7908页)报道了一种由石墨烯包覆海绵的三维多孔吸油材料，该材料首先通 过剥离柔性石墨得到石墨烯纳米片，并分散在乙醇溶液中，然后将三聚氰胺海绵浸 泡在上述溶液中，得到石墨烯包覆的海绵三维多孔结构，该材料具有良好的疏水性， 但该方法使用的石墨烯纳米片较小，海绵骨架的包覆率不高，易出现裸露的亲水性 海绵骨架，降低了其分离效果。德国《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, 2012年22期4421页)报道了一种还原氧化石墨烯制备的三维海绵状石墨材料，首 先用Hummers法制备氧化石墨烯，并用水热法将其还原成还原氧化石墨烯，然后冷 冻干燥得到海绵状石墨烯，该石墨烯的纳米片较大，但是机械强度差，循环使用时 需要用热处理除去吸附的油，能耗较大。

专利CN104163934A公开了一种将聚合物泡沫材料进行部分碳化以获得疏水亲 油材料的方法。这种方法要求在惰性气体保护下对泡沫材料进行高温处理，对工艺 条件要求高，能耗高，而且碳化过程中不可避免将产生毒害性气体，带来新的环境 污染。另外，碳化会造成泡沫的体积收缩并部分或完全丧失弹性，将导致吸油倍率 和重复使用率下降。如CN102660046A公开了“一种超疏水超亲油海绵的制备方法”， 该方法包括：海绵预处理、铬酸洗液的制备、聚全氟烷基硅氧烷-乙醇混合溶液的制 备、海绵浸入铬酸洗液中腐蚀、海绵浸入聚全氟烷基硅氧烷-乙醇混合溶液中进行修 饰后取出烘干等步骤。该制备方法通过铬酸腐蚀、氟硅烷修饰，使聚氨酯海绵表面 形成超疏水、超亲油/超亲油的表面。它是通过化学反应的手段将具有聚氨酯海绵先 用铬酸洗液腐蚀，然后经过聚全氟烷基硅氧烷-乙醇溶液的修饰，使其表面能降低， 使其达到了超疏水、超亲油的功能，增强了油水分离的效果，汽油在其表面接触角 为0°，水在其表面接触角150°。然而，溢油事故一旦发生，往往在水面积聚大面积、 高浓度油污，加之油在水体环境因素中迁移转化的复杂性，必须在最短时间内尽可 能将油污清除干净。因此，迫切需要发展一种高强、成本低廉、工艺简单的超疏水、 超亲油油水分离材料，并且可大规模连续的处理石油泄漏问题。