油类泄漏怎么办？高性能生物吸油材料了解一下
原油泄漏事故会对海洋环境造成巨大影响。1989年的油轮Exxon Valdez号泄露以及2010年的墨西哥湾深海钻油台Deepwater Hirizon号泄露是其中两起最为严重的事件。
2010年的墨西哥湾原油泄露事故促使TED在当年组织了名为TEDx OilSpill的专题演讲大会。在上面的视频里，海洋毒理学家Susan Shaw教授提到一种叫Corexit的石油分散剂。不过，在随后的研究中大家开始发现这种物质虽然可以减少原油的扩散，但其自身有比这些原油更糟糕的毒性。自此以后，科学家开始寻找更加环保的除油甚至是油回收的技术和材料。IWA期刊《Water Research》就曾刊登过一篇关于原油泄漏处理的文章，来自芬兰拉普兰塔理工大学和佛罗里达国际大学的科学家对可以处理漏油事件的生物材料进行了综述。
原油泄漏的处理方法可以分为三大类，包括物理/机械、化学和生物方法。物理机械方法包括了可以防止油膜移动的防火围油栏(booms)，它把油“圈”起来，然后当场把油烧掉，第二种设备是撇油器(skimmers)，它可以将漂浮或乳化的油从水表面移除，有时撇油器还会用到疏水网来加强泄漏原油的回收。化学方法主要指分散剂和吸附剂。前者将油打散为小的油滴，后者常用于小规模的泄漏事件。生物方法是通过微生物作用来降解泄漏的原油。
应对泄漏事件，具体采取何种处理方法取决于原油的属性。但就处理速率而言，喷洒石油分散剂是最快的，其次是撇油和围油燃烧。从成本角度考虑的话，最便宜的是燃烧，然后是分散剂、机械回收和人工清理。
随着社会对保护海洋环境的重视程度不断提升，大家开始发现之前一些常用处理方法的弊端，除了成本，减少对环境的影响成了重要的考虑因素，例如燃烧会生成有害颗粒物及排放二氧化碳。此外，当地的法规政策也会影响技术选择，例如有人建议只根据留在环境中的油量进行罚款，这意味着如果造成事故的公司能够回收泄漏的原油，就可以减少罚单的金额。
针对这种情况，报告的作者没有单纯从技术角度来对原油泄漏的处理方法进行分类，而是基于解决方案将处理方法分成回收和降解两类。
理想的除油吸附剂应该有高孔隙率、表面积，以及对油具有选择性。除此以外，要用于应对原油泄漏，还要求吸附剂具备机械和化学的稳定性、可回收，对环境友好，以及良好的浮力。
棉花、木棉、稻草等天然材料来源丰富、成本低，可生物降解而且无毒，非常适合用作除油的吸附剂。如下表所示，作者们总结了适合除油的吸附剂及其对应的原油类型。可惜的是这些材料的疏水性、浮力和吸附能力其实较为有限。对此，有文献报道过对这些自然材料进行改造的研究，例如对稻壳就行热解，进而提高疏水性，又例如从蚕茧废料中获得的低成本吸附剂，其去除机油和植物油的能力比天然羊毛纤维高30%。
表 基于生物质的除油或降解原油的吸附剂、处理方法和处理原油的类型
除了吸附，降解是处理原油泄漏的另一种方法。有研究显示用表面活性剂改良的蛋壳可以去除水中的原油，例如含有乙醇的食品级卵磷脂和吐温80的混合物(混合比例6:4)可以作为一种有效的乳化剂处理泄漏原油。作者认为这些表面活性剂可以替代Corexit等现有分散剂中的DOSS (磺基丁二酸钠二辛酯)，降低对海洋生物的毒性危害。此外，有研究显示，与基于有机硅的商用聚油剂相比，叶绿醇(phytol)等植物聚油剂的水解速率更快，前者虽然漏油稠化效果不错，但因为生物可降解速率低，不是环境友好的聚油剂，因此植物聚油剂也许是未来更好的选择。
除了使用基于天然物质的材料或者表面活性剂，直接使用微生物也是一种可持续发展的选择。有研究显示这些微生物可以生成表面活性剂(小分子量化合物)或者乳化剂(高分子量化合物)，例如铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)可生成鼠李糖脂(Rhamnolipids) 和表面活性肽(Surfactin)；又例如抗辐射不动杆菌(Acinetobacter radioresistens)和威尼斯不动杆菌(Acinetobacter venetianus)重组激活基因生成alasan和emulsan两种乳化剂。因此作者认为生物修复也是处理泄漏原油的可选方案之一。
除了上述方法，重力分离也是回收原油的途径之一。但传统的分离方法对于油水乳化混合物并不太奏效。作者介绍了一些新兴的筛网膜，如下图所示，可以选择性地截留水或者油分子。而且，膜本身的材料也可以来自可降解的生物质。
第三种回收原油的物质是气凝胶(aerogels)。凝胶的严谨定义是指连续的固相或有机聚合物填充在连续的液相中，而气凝胶将连续液相换成连续气相。这种材料有很高的孔隙率和比表面积，被称为最轻的固体材料。这些特性使它成为吸油的理想材料。近几年有很多关于气凝胶吸油能力的研究，包括可生物降解的纳米纤维素做成的气凝胶材料。气凝胶的特性也提高了它反复使用的次数以及丰富了回收污油或者材料的具体手段。
作者们介绍的最后一种材料是胶凝剂(gelators)。胶凝剂不是聚合树脂，而是超分子结构，不溶于水。它以自然提取糖醇和脂肪酸为基础，形成立体纤维网状的分子结构能够大量吸附油分子，形成胶状物质。因此有学者提出用胶凝剂来处理泄漏的原油，例如通过加热将胶凝剂溶于油中，然后冷却后形成凝胶。这些糖做的胶凝剂可以有效将污油固定在水的表面，然后通过机械方式去除。但其合成过程一般需要用到有机溶剂或者石油衍生的化学品，而且文献报道的许多胶凝剂还要加入助溶剂才能溶于油，这其环保程度大打折扣。但最近的一些粉末凝胶剂据称无需助溶剂，使用共晶溶剂，同时可以使用更加环境友好的溶剂，这些突破都能提高胶凝剂的应用前景。
就环境角度而言，能将泄漏的污油从环境中去除的方法都是可行的解决方案，但考虑经济因素的话，可选的方法就变得相对有限。另外，吸附剂的物理特性以及其疏水属性都会影响其去除特定原油的性能。
作者在这篇综述报告里给读者展示各种基于生物质材料的吸附剂，它们在处理泄漏原油时有三大优点，第一是能显著去除水中的污油，第二是很好地利用了废弃的生物质资源，第三是对污油进行回收。但这也意味着需要对原生材料进行改良优化，而在改造过程中，可能会使用一些不环保的化学品或者产生需要处理的副产物。作者认为这些可降解的生物材料要想得到市场的认可，需要在保持其可生物降解性和无毒害的基础上，研发出改造程度最低、环境友好性的新材料，并不断优化其性能。
图. Scopus包含“oil”、“spill”和“材料”三个关键字的出版物的统计数据
作者们还对原油泄漏处理研究的趋势进行分析。从对Scopus的论文数据库的关键字分析（2007-2017年这10年跟吸附剂相关的文章）可以看出，纳米和气凝胶等新兴材料的研究在过去5年的增长势头明显。相信材料科学的发展会为原油泄漏事件带来更环保的处理选择。但无论怎样，预防胜于治疗，我们最希望的还是原油泄漏事件越少越好。
A review of bio-based materials for oil spill treatment, Bhairavi Doshi, Mika Sillanpää, Simo Kalliol, Water Research, Volume 135, 15 May 2018, Pages 262-277
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