在可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的發(fā)展背景推動(dòng)下，各行各業(yè)越來越重視環(huán)保問題，油田開發(fā)領(lǐng)域亦是如此，綠色油田化學(xué)品的開發(fā)愈發(fā)受到重視。張潔教授課題組長(zhǎng)期致力基于植物材料開發(fā)綠色油田化學(xué)品的研究與應(yīng)用并取得了系列成果。其中以植物膠、淀粉、纖維素等天然產(chǎn)物為原料研發(fā)了系列環(huán)保型油田化學(xué)品（J. Biobased Mater. Bioenergy,2021, 15(6): 820-825;J. Biobased Mater. Bioenergy, 2019, 13: 778-783;Desal. Water Treat., 2018, 107: 118-126;Sci. Adv. Mater.2017, 9(6): 928-933，論文鏈接：https://doi.org/10.1166/jbmb.2021.2138；https://doi.org/10.1166/jbmb.2019.1908 ；https://doi.org/10.5004/dwt.2018.22140；https://doi.org/10.1166/sam.2017.3065）。
一些工業(yè)或生活廢棄物因其中某些特定化學(xué)成分而導(dǎo)致處理難度大、成本高、污染環(huán)境等問題，若針對(duì)它們的特定化學(xué)組成進(jìn)行資源化開發(fā)利用，將有效解決上述現(xiàn)實(shí)問題，并可帶來綜合經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)。為此，該課題組基于廢棄塑料資源化利用的研究工作也取得了一定的成果。例如，廢棄泡沫塑料中的聚苯乙烯（Polystyrene）、廢棄有機(jī)玻璃中的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate），與目前油田常用的原油流動(dòng)性改進(jìn)劑之間存在下圖所示的類似結(jié)構(gòu)（如：聚丙烯酸酯、聚羧酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物），因此可作為原油流動(dòng)性改進(jìn)劑的基礎(chǔ)原料，將其改性后加入原油可以起到降粘和降凝作用（Polymers,2021, 13(15): 2505;Pet. Chem.,2018, 58(1), 85-88;J. Petro. Sci. Eng., 2018, 165, 1049-1053，論文鏈接：https://doi.org/10.3390/polym13152505；https://doi.org/10.1134/S0965544118010085；https://doi.org/10.1016/j.petrol.2017.12.041）。
該課題組最新的課題聚焦新冠疫情的特殊背景下的廢棄物資源化利用。由聚烯烴類材料制成的一次性口罩等醫(yī)療廢棄物隨著新冠疫情暴發(fā)而劇增，因其難降解而帶來的環(huán)境污染等棘手問題，據(jù)海洋保護(hù)組織發(fā)布的報(bào)告稱，2020年至少有15.6億個(gè)口罩流入海洋。我們注意到，此類材料主要成分為聚丙烯（Polypropylene）等，恰與油田常用的原油流動(dòng)性改進(jìn)劑結(jié)構(gòu)類似，于是嘗試開展“基于聚丙烯醫(yī)療廢棄物的原油流動(dòng)性改進(jìn)劑”的研究。與常規(guī)處理方式（如焚燒和填埋）相比，為醫(yī)療廢棄物資源化利用提供了新的技術(shù)思路。
原油被開采、集輸進(jìn)入煉油廠加工為化工原料，然后化工廠由聚丙烯原料生產(chǎn)熔噴布、無紡布，再經(jīng)口罩廠加工成合格的醫(yī)用與生活用品，最后進(jìn)入消費(fèi)者人群當(dāng)中，這是一次性口罩的“前半生”。而其“后半生“通常以填埋、焚燒的方式被廢棄處理，造成資源浪費(fèi)、污染環(huán)境等問題。通過該課題提出的資源化利用方案，廢棄口罩實(shí)現(xiàn)了“變廢為寶”，可應(yīng)用于油田開采領(lǐng)域的原油流動(dòng)性改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。
將廢棄口罩依次拆分，選擇適當(dāng)?shù)娜軇┰诩訜釛l件下進(jìn)行充分溶解和改性，制備出原油流動(dòng)性改進(jìn)劑。用在不同類型的原油中進(jìn)行降粘降凝效果評(píng)價(jià)。其中，基于口罩中間層材料所制備的原油流動(dòng)性改進(jìn)劑對(duì)于稠油的降粘率最高可達(dá)81%，對(duì)于高凝油的降凝幅度最高可達(dá)8.3℃。
通過蠟晶微觀形貌分析和DSC分析，探討了用廢棄口罩制備的原油降粘降凝劑的作用機(jī)理：未加劑的原油中，飽和烴組分的蠟晶呈現(xiàn)聚集網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，蠟晶顆粒排列緊湊（如下圖（a）所示）；而加劑后的蠟晶變稀少、分散度增加，蠟晶生長(zhǎng)受到抑制（如下圖（b）所示）。
為了進(jìn)一步探討該課題研究成果應(yīng)用的可行性，對(duì)工藝合理放大并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，成本計(jì)算方法如下所示：
C—總成本，元/噸；Mo—每噸產(chǎn)品含有的溶劑的比例，0.65；Co—溶劑的價(jià)格，元/噸；Mpp—每噸產(chǎn)品含有的聚丙烯的比例，0.35；Cpp—每噸聚丙烯廢棄物總的成本，元/噸；C2—運(yùn)輸成本，元/噸；C3—加工成本，元/噸；C4—包裝成本，元/噸；C1—消殺成本，元/噸。
Ce—工業(yè)用電價(jià)格，0.725元/kW?h；Q—聚丙烯廢棄物加熱至60℃的電能消耗，kW?h；η—電能轉(zhuǎn)化為熱能的轉(zhuǎn)化率，%；c—聚丙烯材料的比熱容，1.9 J/g?℃；m—聚丙烯廢棄物處理量，g；ΔT—加熱過程中溫度的變化量，℃。
對(duì)于廢棄口罩的預(yù)處理采用高溫殺滅病毒，以新冠病毒為例，病毒在高溫處理（大于56℃，30min）和醫(yī)用酒精處理后即可被殺滅，通過材料的比熱容可衡算出加熱過程的能耗，進(jìn)而換成消殺處理成本。從室溫（25℃）加熱至60℃，消殺處理所需熱量為66500 kJ/噸。功熱轉(zhuǎn)化率約為80%，消耗的電能可以計(jì)算為23.09kW?h/噸，進(jìn)而得出加熱消殺過程成本為16.74元/噸。而不具有傳染源時(shí)的廢棄口罩預(yù)處理可以省去該步驟。
其次是運(yùn)輸成本，實(shí)際上醫(yī)療廢棄物是由專門的部門負(fù)責(zé)運(yùn)輸轉(zhuǎn)移。而在該課題研究中，也基于城市、社區(qū)等近距離輸送做了合理預(yù)估。加工、包裝等過程參照化工公司的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行合理預(yù)估。最后，綜合溶劑成本和消殺、運(yùn)輸、加工、包裝成本，預(yù)估總的成本僅為4533元/噸，遠(yuǎn)低于市售同類型的高分子降粘劑價(jià)格（如EVA，30000元/噸），也低于常用工業(yè)級(jí)表面活性劑的價(jià)格（如十八烷基二甲基氯化銨，17000元/噸；聚乙二醇6000，10800元/噸；十二烷基硫酸鈉，18000元/噸），因此具有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有望帶動(dòng)其他環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
該項(xiàng)研究工作近期以“Resource utilization of medical waste under COVID-19: Waste mask used as crude oil fluidity improver”為題發(fā)表在Journal of Cleaner Production（中科院一區(qū)，TOP期刊，2021年IF=9.297）期刊上。張潔教授和顧雪凡教授共同指導(dǎo)，碩士研究生王棚為論文第一作者，張潔教授為通訊作者，西安石油大學(xué)為第一單位。
基于該課題的研究工作，已經(jīng)先后獲得第十四屆全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽三等獎(jiǎng)、第九屆中國(guó)大學(xué)生高分子材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽二等獎(jiǎng)。
全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131903
文：蔣勝 審核：李善建 編輯：武威
