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2024年12月，国际期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》在线发表题为“Titanium Dioxide Nanoparticle-Loaded Silica Gel Spheres: A Superior Adsorbent for the Elimination of Trace Water in Transformer Oil”的研究论文，该论文研究制备的纳米二氧化钛负载硅胶复合吸附剂在绝缘油再生方面体现了优异的脱水性能。武汉轻工大学王易博士为通讯作者。《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊是ACS旗下重要期刊，主要发表了关于绿色化学与工程，以及应对可持续能源、材料和化学制造领域的研究发现。2024年12月3日论文发布时的影响因子为7.1，属于中科院一区Top期刊。
第一作者：彭超 莫超凡
通讯作者：王易 博士
通讯单位：武汉轻工大学
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c06669
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根据现有研究，本文探讨了一种化学材料在变压器油中去除微量水分的效果，以提高油的再生和可持续性。研究表明，纳米二氧化钛能够改善油的绝缘性能。使用的材料包括分析级化学试剂和特定的变压器油，采用高温热处理和多种表征方法进行分析。此外，水分含量的检测采用了卡尔·费休试剂法。这项研究为电力工程中油的处理提供了新的思路，有助于提升设备的可靠性和延长使用寿命。
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在电力工程中，变压器油作为关键的绝缘材料，其性能直接影响设备的安全性和可靠性。然而，变压器油中微量水分的存在会显著降低其绝缘性能，进而导致设备故障和停运。因此，如何有效去除变压器油中的水分成为了一个重要的研究课题。
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随着纳米技术的发展，采用纳米材料处理变压器油的研究逐渐增多。这些研究不仅为电力设备的安全运行提供了新思路，同时也推动了相关技术的发展。通过对变压器油进行化学处理，能够显著提高其绝缘性能，从而延长设备的使用寿命，降低维护成本。硅胶是一种常见多孔材料，具有良好的吸水性能，常用作吸水剂。不过对于废弃绝缘油中的微量油包水来说，这种单一的物理吸附无法破坏油包水的稳定结构，油中水分子的吸附就成了一项难题。而纳米二氧化钛具有良好的亲水性，同时能与二氧化硅分子相互作用，产生布朗斯特酸，可以改变吸附剂周围的Zeta电位，吸附水中的水合氢离子，从而与油中的水产生化学吸附，再结合硅胶表面的物理吸附层，固定住水分子，从而吸附更多的水分子，很好的解决了硅胶难以吸附微量水的问题，反过来，硅胶又能为纳米二氧化钛提供充足的附着位点，增强了纳米二氧化钛的稳定性和分散性，也增强了硅胶自身的比表面积，因此纳米二氧化钛负载硅胶球是一项一举多得的创新。
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本论文采用溶胶-凝胶法制备出了纳米二氧化钛负载硅胶球（nTDSGS），并通过静态吸附，改用不同的实验条件（如油的水分、吸附剂的钛含量）测定了吸附剂作用下不同时间油中的含水量，结果表明，nTDSGS相比普通的硅胶球和单一无机吸附剂来说，体现了优越的吸水效果。与其他吸附材料相比，本研究中的产品在去除低浓度含水变压器油中的水分方面具有优势，制备简单，成本可控。在实际应用中，它可以用作静态吸附材料。因此，本研究对变压器油中微量水的去除具有重要的应用潜力和指导意义。
图1.制备流程及吸附原理简图
图2. 吸附剂的SEM和EDS图谱：（a）硅胶球图像；（b）硅胶球表面；（c）nTDSGS的表面；（e）~（g）O、Si和Ti的元素分布
图3. nTDSGS的元素分析
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通过对普通硅胶球和负载纳米二氧化钛的硅胶球进行SEM电镜分析，观察硅胶球表面的纳米二氧化钛的负载情况。根据SEM和绘图结果，硅胶球的球形直径约为250μm，放大后。材料的表面近乎光滑。在2μm的SEM图像尺度下，nTDSGS吸附材料表面显示出许多直径约为0.1μm的颗粒状小球，与相同尺度下的硅胶球表面明显不同。绘图分析显示，硅胶球表面存在大量Ti元素，元素含量分析表明不存在其他杂质元素。这些结果表明，nTiO2成功地负载到硅胶球的表面上。尽管观察到颗粒聚集，但基于吸附实验，吸附性能仍然很好。详细图像和元素分析如图2和图3所示。
图4. nTDSGS的XPS分析
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如图4所示，该材料的XPS光谱在458.58 eV和464.28 eV处出现两个峰值，分别对应Ti2p3/2和Ti2p1/2。nTDSGS中Ti2p3/2和Ti2p1/2之间的结合能分离约为5.7 eV，表明nTDSGS存在Ti4+，这与二氧化钛的结构一致。在530.28 eV和538.88 eV处发现了两个峰，分别对应于（Si）-O-（Si）和（Ti）-O-。这些结果证实了纳米级二氧化钛在硅胶球表面的成功沉积。
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图5.（a）不同初始含水量的比较；（b）不同nTDSGS吸附剂重量的比较；（c）不同反应物添加量的比较
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通过静态吸附实验研究nTDSGS吸附剂在不同条件下的吸水效果，如图5a所示，研究集中在初始含水量为50、100、200和500μg/mL的油样上。实验结果表明，当初始含水量在50至200μg/mL之间时，nTDSGS吸附剂表现出显著的脱水能力。60分钟时，这三个油样的含水量降至35μg/mL以下，符合国家标准。然而，初始含水量为500μg/mL的试验组最终的水浓度约为220μg/mL，不符合变压器油的国家标准。这种现象可归因于0.5g吸附剂达到其吸附饱和值，从而使其无法从油中提取额外的水。尽管计算出的吸附容量约为14000μg/g，但必须注意的是，单独讨论材料的吸附容量对具有不同初始含水量的油样没有意义。即使具有高吸附能力，也无法将油样中的含水量降低到变压器油标准规定的水平，这降低了其在工业应用中的实际效用和意义。在图5b中，利用初始含水量为100μg/mL的油样阐明了不同量的nTDSGS吸附剂对脱水效率的影响。在60分钟时检测到脱水效率，因为之前的研究表明，吸附过程在这个时间点达到了平衡。结果表明，0.1 g和0.2 g吸附剂的脱水率接近64%，但油样中的残留水含量超过35μg/mL，不符合国家标准。相反，在吸附剂添加量为0.5克至2克的组中，脱水率超过70%，所有油样中的最终含水量均符合国家基准。因此，在处理初始含水量为100μg/mL的50 mL油样时，建议nTDSGS吸附剂的量不应低于0.5 g的阈值，以确保最佳的脱水性能。还研究了不同反应物比对吸附效率的影响。硅胶的固定质量为2g，调节钛酸四丁酯的添加量，以检查所得吸附剂的除水效率。在实验组中，钛酸四丁酯的用量范围为0.1至10 mL，结果如图8（c）所示。数据表明，含有0.1、0.5和1 mL钛酸四丁酯的组表现出更高的除水效率，均超过70%。相比之下，5毫升和10毫升的组表现较差。据推测，其主要原因可能是钛酸四丁酯的过量存在，导致形成过多的纳米级二氧化钛颗粒，然后这些颗粒聚集在一起，无法均匀地负载在硅胶球的表面上。
图6.与操作条件相关的水吸附响应面
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本研究提出了一种用于变压器油脱水的新型吸附剂，该吸附剂以钛酸四丁酯和柱色谱硅胶球为反应物，通过溶胶-凝胶法合成，得到白色粉末状纳米二氧化钛负载硅胶球材料。该研究主要关注反应物配比、吸附剂类型、初始含水量和吸附时间对吸附效率的影响。结果表明，与独立的硅胶球和纳米二氧化钛相比，这种吸附剂在含有微量水的油中表现出优异的脱水性能。当处理含水量在50至200μg/mL范围内的油样时，它在60分钟内实现了超过70%的脱水率，最终含水量符合变压器油的再利用标准。采用响应面法分析了多种因素对吸附效率的影响，并根据实际实验结果推断出最佳吸附参数。还对新材料的吸附机理进行了合理分析。综上所述，这种新材料具有高效、可重复使用和环保的优点。本研究采用高效油水分离技术，在拓展功能化吸附材料领域取得了新的突破，在去除变压器油中的微量水分方面显示出巨大的潜力。
Chao Peng, Chaofan Mo, Chenxi Yan, Yi Wang, Lei Zhang, Guozhi Fan, Ruichao Peng, and Qiaolin Ren.Titanium Dioxide Nanoparticle-Loaded Silica Gel Spheres: A Superior Adsorbent for the Elimination of Trace Water in Transformer Oil.ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2024 12 (50), 18114-18125.https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c06669.
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撰稿：彭超编辑：环境与能源功能材料
审核：王易
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王易【通讯作者】，博士，硕士生导师，武汉轻工大学化环学院化工系副主任，2020年毕业于武汉大学。课题组长期从事三废处置技术研发、环境功能材料、污染物吸附等方向。目前第一或通讯作者SCI论文共计6篇，授权发明专利3项，授权实用新型3项。获得湖北省科技进步二等奖、全国大学生低碳循环科技创新大赛、“挑战杯”大学生创业计划竞赛、全国互联网+学科竞赛、湖北省电机工程学会优秀学术论文等奖项8项。
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彭超【共同第一作者】，化学工程与工艺专业学生，主要从事环境功能材料、污染物吸附和污水处理的应用研究，曾获全国低碳循环科技大赛三等奖一项，获国家励志奖学金一次，发表SCI论文2篇，其中第一作者1篇。
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莫超凡【共同第一作者】，化学工程与工艺专业学生，主要从事油水分离技术和污水处理材料的应用研究，发表SCI论文2篇，其中共同第一作者1篇。
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