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可用于快速处理大面积海洋溢油的固态凝胶剂

来源: X-MOL 2017-08-23 14:01:07

海洋为人类提供丰富资源的同时也提供了便利的交通运输，然而频发的海洋溢油事故对海洋的生态和环境造成了极大的破坏。据统计，每年进入海洋环境的石油及其制品达到1000万～1500万吨，约占世界石油年产量的5%，其中由船舶运输和近海石油生产导致的泄漏占46.7%。历史上最大的海上溢油事故是2010年4月20日英国石油公司发生在美国墨西哥湾深水地平线号钻井平台的溢油事故，该事故泄漏原油约50万吨，造成高达数千亿美元的经济损失。

目前，国际上通用的海水溢油控制方法大致可分为三种：1）物理技术：包括只适用于平静海域且油层较厚的撇油器/收油机和适用于溢油量少大面积操作较困难的吸附剂；2）化学技术：包括只适用于油面较宽油层较厚的燃烧法和具有毒性且使用后易引发二次污染的消油剂；3）生物技术：指利用天然微生物将石油降解的方法，但该方法处理过程缓慢，无法及时处理大规模的溢油事故，并且该方法对于不同种类原油的效果差别极大，不具有普适性。这些海水溢油清污技术共同的缺点是在应对大面积海洋溢油事故的时候往往收效甚微，遗留下来的原油污染物，靠海洋自身的修复能力一般情况下需要2～20年。

近年来，来自新加坡生物工程和纳米技术研究院（Institute of Bioengineering and Nanotechnology, A*STAR）的曾华强研究员（点击查看介绍）课题组研究开发了一类低成本的基于天然氨基酸的相选择性超分子凝胶剂（Chem. Mater., 2016, 28, 4001-4008; Langmuir, 2016, 32, 13510-13516）。该类“清污小分子凝胶剂“不仅能够在室温条件下选择性地将水上溢油快速固化成漂浮于水面易于过滤的凝胶状固体，而且凝胶能力高效（在两相环境下能固化其重量30-100倍的原油）。其工作原理是通过胶凝剂分子间的非共价键自组装先形成有序排列的一维纳米纤维，这些一维结构进一步以无序和有序并存的状态相互交联形成三维的带有疏水空腔的网状结构，进而将带有疏水性质的石油分子“冻结”在三维网状结构中形成凝胶状或块状的固化石油。

然而，在具体应用时这类凝胶剂需要先溶解在载体溶剂中，然后喷洒到原油上才能将原油快速固化，但大量载体溶剂的存储、运输和海面上的喷洒是相对棘手的难题。为了解决这些问题，作者进一步研究了使用固态凝胶剂的可能。固态凝胶剂的最大优点是在无需载体溶剂的情况下能以粉末的形式将原油固化。然而已有的固态凝胶剂无法处理重质原油，对轻质原油的处理速度极其缓慢，通常需要几个小时至几天的时间，这导致泄漏的原油无法及时固化，也无法及时打捞。一种良好的固态凝胶剂需要同时具备良好的溶解性和凝胶能力以达到快速凝胶原油的效果。作者设想用短烷基链来取代原来分子库的芳香基团将有可能提高凝胶剂分子的溶解性，与此同时对凝胶能力也不会有大的改变。基于此设想，作者合成了一系列基于乙酰基保护的氨基酸小分子库（图1）。

材料学

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