近日，研究院薛建良副教授在《Journal of Hazardous Materials》上发表了题为“Durable hydrophobic Enteromorpha design for controlling oil spills in marine environment prepared by organosilane modification for efficient oil-water separation”的文章。文章在无需经过完全水洗和干化的条件下采用硅烷偶联剂改性浒苔制备了C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔基疏水材料，并探究了其对石油烃类物质的吸附机理。研究发现C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔与水的接触角达到137°，其对石油烃的吸附能力最大可达11.4g/g。通过MOE软件从分子角度探究C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔与石油烃的键合方式，初步推测了C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔与柴油组分之间的结合方式。这一研究为海洋石油污染治理提供了技术支持和理论指导。

图片摘要

引言

随着石油工业和海上油运的迅猛发展，井喷、撞船、沉船以及输油管道的泄漏等事故造成的海洋溢油事故时有发生，对海洋生态环境及海洋经济的发展造成了威胁。海洋石油污染的治理方法有很多，利用吸附技术实现油水分离是一种高效、简单的治理手段，但吸附材料面临着成本高和吸附容量小的问题。与传统的油水分离方法相比，设计疏水亲油材料来有效地分离水中的石油烃类污染物是一种具有前景的治理方法。然而，目前报道的吸附材料面临吸附率低、吸附选择性差、资源不可再生等限制，而且考虑到水上溢油覆盖面积以平方公里计算，所需的吸油材料应适合大规模应用，同时表现出高效的油水分离。

浒苔属是一种大型海洋绿藻，浒苔的爆发给当地环境和经济带来严重影响，目前，饲料和肥料是消除浒苔负面影响的主要途径，然而浒苔的结构优势在很大程度上被忽视了。事实上，浒苔具有发达的纤维结构，可用于储存污水、油污等污染物质，但是浒苔具有亲水亲油的性质，使得其对石油烃类物质的吸附能力有限，而目前改性浒苔通常采用完全的水洗和干化后进行改性，成本较高。因此，我们在无需完全水洗和干化的条件下，通过对浒苔进行疏水改性处理，制备出具有疏水能力的C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔基吸附材料，以吸附技术为手段，以C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔基吸附材料为载体，探究其对石油烃类物质的吸附机理，最后通过循环实验分析，探究了C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔的重复利用能力。

图文导读

1.C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔的接触角

图1：浒苔和C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔对水(a和b)和柴油(c和d)的润湿性；(e)C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔与水的接触角随时间的变化情况；(f) C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔上水滴形状随时间变化的图像

为了定量地分析C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔与水相的亲和力，我们测量了浒苔与水的接触角。如图所示，发现水滴与C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔片的接触角为137°，说明经过正辛基三乙氧基硅烷硅烷改性后的浒苔的润湿性发生了巨大的变化，表明成功制备出了疏水材料。通过观察图1 f，发现C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔与水的接触角会随着时间的推移而减小，这是因为浒苔改性主要发生在浒苔的表面，未改性浒苔的横截面仍保持亲水性，导致其疏水性随时间不断降低，此外，C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔在制备成片剂的过程中，C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔粉末之间的空气被排出，从而削弱了空气与疏水表面之间的协同作用。

2.浒苔和C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔对柴油的吸附能力对比

图2 (a-e)浒苔(绿色)和C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔(干草色)与水相亲和力的对比。(f-j)浒苔和C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔对柴油的吸附

通过浒苔与海水亲和力的变化情况，可以观察到浒苔润湿性的成功改性。如图2所示，当浒苔浸入海水时，与海水表现出高度的亲和性。而C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔则漂浮在海水表面，与海水表现出疏水性。为了更直观地观察C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔的油水分离能力，我们选用苏丹III对柴油进行染色处理。如图2 f和g所示，将未改性浒苔放入被染色的油水混合物中，发现未改性浒苔对柴油和水均表现出较高的亲和力，这与其固有的亲水亲油的性质一致。相比之下，当将C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔放入油水混合物中后，被染色的柴油完全被吸附在了C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔上(图2 h, i)，表明C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔具有较高的油水分离能力。

3.浒苔（a）和C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔(b)对柴油的吸附机理

图3 浒苔（a）和C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔(b)对柴油的吸附机理

为了进一步探究改性浒苔高效的油水分离机理，我们从分子角度研究了柴油和改性浒苔之间的相互作用。据了解，浒苔由多糖组成，苯甲酸是柴油的添加剂，因此，我们选择多糖和苯甲酸作为研究对象，利用MOE软件对浒苔和柴油之间的键合方式进行分子模拟，在模拟过程中，对不同的结合位点进行连接测试，保留结合能最强的结合位点。结果展示了一个新的发现，即多糖与苯甲酸分子通过形成氢键连接，S值为-7.64，其中H-don键占64.8%，H-acc键占51.4%和15.3%。浒苔多糖为苯甲酸分子提供了活性链接位点。

4.C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔的重复利用性能

图4 一次循环(a)和七次循环(b)后C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔的图像

吸附材料的可回收性是油水分离应用的重要性能之一，因此，我们从绿色化学和可持续性的角度，探究了C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔的重复利用性能。如图4所示，通过观察，发现重复利用过程对C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔的管状结构没有影响，说明C₁₄H₃₂O₃Si-浒苔是一种可重复利用的环保型材料。此外，浒苔的天然纤维结构和有机硅烷疏水性的协同作用也促进了油水的高效分离。这表明浒苔在大规模控制海洋溢油方面表现出巨大的优势，在实际应用方面表现出卓越的重复利用能力。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126824