在可持續發展和實現“雙碳”目標的發展背景推動下，各行各業越來越重視環保問題，油田開發領域亦是如此，綠色油田化學品的開發愈發受到重視。張潔教授課題組長期致力基于植物材料開發綠色油田化學品的研究與應用并取得了系列成果。其中以植物膠、淀粉、纖維素等天然產物為原料研發了系列環保型油田化學品（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）。
一些工業或生活廢棄物因其中某些特定化學成分而導致處理難度大、成本高、污染環境等問題，若針對它們的特定化學組成進行資源化開發利用，將有效解決上述現實問題，并可帶來綜合經濟效益的增長。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性改進劑之間存在下圖所示的類似結構（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性改進劑的基礎原料，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療廢棄物隨著新冠疫情暴發而劇增，因其難降解而帶來的環境污染等棘手問題，據海洋保護組織發布的報告稱，2020年至少有15.6億個口罩流入海洋。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性改進劑結構類似，于是嘗試開展“基于聚丙烯醫療廢棄物的原油流動性改進劑”的研究。與常規處理方式（如焚燒和填埋）相比，為醫療廢棄物資源化利用提供了新的技術思路。
原油被開采、集輸進入煉油廠加工為化工原料，然后化工廠由聚丙烯原料生產熔噴布、無紡布，再經口罩廠加工成合格的醫用與生活用品，最后進入消費者人群當中，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、污染環境等問題。通過該課題提出的資源化利用方案，廢棄口罩實現了“變廢為寶”，可應用于油田開采領域的原油流動性改進，實現了資源的循環利用。
將廢棄口罩依次拆分，選擇適當的溶劑在加熱條件下進行充分溶解和改性，制備出原油流動性改進劑。用在不同類型的原油中進行降粘降凝效果評價。其中，基于口罩中間層材料所制備的原油流動性改進劑對于稠油的降粘率最高可達81%，對于高凝油的降凝幅度最高可達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理：未加劑的原油中，飽和烴組分的蠟晶呈現聚集網絡狀結構，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，蠟晶生長受到抑制（如下圖（b）所示）。
為了進一步探討該課題研究成果應用的可行性，對工藝合理放大并進行經濟效益分析，成本計算方法如下所示：
C—總成本，元/噸；Mo—每噸產品含有的溶劑的比例，0.65；Co—溶劑的價格，元/噸；Mpp—每噸產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—工業用電價格，0.725元/kW?h；Q—聚丙烯廢棄物加熱至60℃的電能消耗，kW?h；η—電能轉化為熱能的轉化率，%；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，℃。
對于廢棄口罩的預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。功熱轉化率約為80%，消耗的電能可以計算為23.09kW?h/噸，進而得出加熱消殺過程成本為16.74元/噸。而不具有傳染源時的廢棄口罩預處理可以省去該步驟。
其次是運輸成本，實際上醫療廢棄物是由專門的部門負責運輸轉移。而在該課題研究中，也基于城市、社區等近距離輸送做了合理預估。加工、包裝等過程參照化工公司的標準，進行合理預估。最后，綜合溶劑成本和消殺、運輸、加工、包裝成本，預估總的成本僅為4533元/噸，遠低于市售同類型的高分子降粘劑價格（如EVA，30000元/噸），也低于常用工業級表面活性劑的價格（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），因此具有顯著的競爭優勢，同時有望帶動其他環保產業的發展。
該項研究工作近期以“Resource utilization of medical waste under COVID-19: Waste mask used as crude oil fluidity improver”為題發表在Journal of Cleaner Production（中科院一區，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，碩士研究生王棚為論文第一作者，張潔教授為通訊作者，西安石油大學為第一單位。
基于該課題的研究工作，已經先后獲得第十四屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽三等獎、第九屆中國大學生高分子材料創新創業大賽二等獎。
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
