基于生物的木棉纤维-椰壳复合气凝胶：一种可持续的海洋石油泄漏治理方案

《Marine Pollution Bulletin》：Bio-based kapok fiber–coconut husk composite aerogel: A sustainable solution for marine oil spill remediation

生物基气凝胶通过农业废料 kapok 纤维与椰子壳复合制备，兼具高孔隙率和表面疏水性，柴油吸附量达8.46 g/g，表面改性后接触角118°。

　　

Ibrahim Ahmed Abass | Makungu M. Madirisha | Elisante E. Mshiu | Sixberth Mlowe | Edgar C. Mapunda

坦桑尼亚达累斯萨拉姆大学自然科学与应用科学学院化学系，邮政信箱35061

摘要

海洋石油泄漏对水生生态系统构成严重威胁，因此需要开发高效、耐用、可生物降解且对环境友好的净化技术。本研究采用农业废弃物木棉纤维和椰子壳制备了一种生物基复合气凝胶，利用了这两种纤维的协同木质纤维素特性。制备过程包括使用聚乙烯醇作为粘合剂进行纤维凝胶化、溶剂交换和冷冻干燥，随后通过十二烷基三甲氧基硅烷对表面进行疏水改性。通过傅里叶变换红外光谱验证了化学改性情况，并通过扫描电子显微镜观察了其微观结构。氮吸附-脱附分析显示该气凝胶的比表面积为428平方米/克，机械测试表明其抗压强度可达73千帕。该气凝胶具有优异的疏水性，接触角为118度。柴油和发动机油（SA40）的吸附实验结果表明：柴油的吸附容量分别为8.46 ± 0.44克/克（15分钟）和9.22 ± 0.30克/克（24小时），发动机油的吸附容量分别为5.41 ± 0.26克/克（15分钟）和7.52 ± 0.24克/克（24小时）。这种优异的性能归因于多孔椰子壳基质和中空木棉纤维结构的协同作用。这些发现强调了将互补的农业废弃物纤维结合成高性能气凝胶的创新性，并为大规模海洋石油泄漏治理提供了可扩展、低成本的解决方案。

引言

海洋石油泄漏是指由于自然渗漏、石油运输、海上钻探、油轮事故以及深海管道损坏等活动导致液态石油产品进入海洋及其周边生态系统（Zhang等人，2018；Keramea等人，2021）。石油泄漏是一种环境灾难，其中含有多环芳烃等有害物质，对水生生态系统、人类、植物和野生动物具有毒性（Mostafa等人，2021；Odunlami等人，2022）。在海洋环境中，石油泄漏会造成广泛的生态破坏，扰乱食物链，并对蓝色经济造成严重经济损失（El Moussaoui和Idelhakkar，2023；Zhang等人，2024）。此外，石油泄漏还会影响鱼类孵化场的生理和免疫系统，导致海洋生物种群数量下降（Mostafa等人，2021；Wolok等人，2020；Tamis等人，2012）。 石油从地下提取后经过加工并运输给最终用户，但在生产、精炼和运输过程中经常发生意外或故意的泄漏事件（Wang等人，2012）。在深水区域铺设石油管道以及勘探深水油田进一步增加了因管道损坏或井喷导致泄漏的风险。其中最严重的事件包括2010年墨西哥湾的深水地平线石油泄漏（排放约62.7万吨石油）和2011年中国渤海的蓬莱19-3油田泄漏（排放约200吨石油，Keramea等人，2021）。这些事件凸显了亟需有效的清理和缓解策略来保护海洋生态系统和人类健康（Osemeahon和Dimas，2020）。 目前已有多种方法用于石油泄漏清理，包括物理方法（围油栏、撇油器、吸附剂、原位燃烧）、化学方法（分散剂、固化剂）和生物方法（Bayik等人，2017）。然而，传统方法如化学分散剂、原位燃烧和机械回收在效率和环境安全性方面往往存在不足（Doshi等人，2018）。原位燃烧仅在水面油层厚度至少为2.5毫米时有效，且会产生温室气体排放（Idris等人，2014）。由于化学分散剂的毒性，其使用受到严格限制，通常仅限于深海应用（Idris等人，2014；Fingas，2011）。在物理方法中，吸附剂因其疏水性和亲油性而被广泛使用；但合成吸附剂虽然有效，却不可生物降解，增加了废物管理难题，限制了其可持续性（Idris等人，2014）。相比之下，天然有机吸附剂（如椰子壳、木棉纤维、玉米芯、香蕉皮和甘蔗渣）因可生物降解性而更受青睐（Perera等人，2022；Odunlami等人，2022；Osemeahon和Dimas，2020）。然而，天然吸附剂的天然疏水性和亲油性较低，降低了其在水中的吸附效率。这一限制可通过化学表面改性及纤维的协同组合来克服，从而制备出性能更优的复合气凝胶吸附剂（Osemeahon和Dimas，2020；Senanurakwarkul等人，2013）。 木棉纤维来自Ceiba pentandra的种子荚，因其中空管状结构、低密度和天然疏水性而受到关注，这些特性赋予了其高浮力和良好的石油吸附潜力（Susilowati和Muljani，2020）。椰子壳是椰子加工的木质纤维素副产品，具有优异的机械强度和吸附能力（Ajien等人，2023）。尽管这两种材料已分别被研究过，但将其协同整合到复合气凝胶中的研究仍较少。本研究通过结合木棉纤维和椰子壳开发了一种新型天然纤维基气凝胶，利用了木棉的中空疏水特性和椰子壳的刚性多孔结构，从而提高了气凝胶的结构完整性、疏水性和石油吸附性能。 因此，本研究报道了一种用于海洋石油泄漏治理的疏水性木棉纤维-椰子壳复合（KFCH）气凝胶的设计与开发。该工作的创新之处在于将两种丰富的农业废弃物纤维整合到复合气凝胶中，并通过改性增强了其疏水性，实现了生物降解性、成本效益和吸附性能的平衡，这些特性在文献中很少同时具备。通过将废弃物生物质转化为功能性材料，本研究不仅有助于可持续的石油泄漏治理，还推动了废物资源化、环境保护和循环经济的理念。KFCH气凝胶经过合成、表征，并系统评估了其石油吸附能力，同时关注了其微观结构、孔结构、表面疏水性以及石油的粘度和密度等性质的影响。总体而言，这些发现表明生物基复合气凝胶可为石油泄漏治理提供可扩展、环保且高效的解决方案，为下一代吸附剂技术的发展奠定了基础。

材料与化学品

原始椰子壳作为农业废弃物来自桑给巴尔的Fuoni椰子农场，而天然木棉纤维则从坦桑尼亚桑给巴尔的Kinyasini地区的Ceiba pentandra种子荚中提取。使用的化学品包括：次氯酸钠（NaClO₂，纯度80%）、醋酸（分析级）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS，纯度98%）、四乙基正硅酸盐（TEOS，纯度98%）、十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS，纯度95%）、氨水（NH₃·H₂O，分析级）和乙醇。

化学官能团分析

根据傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果，木棉纤维的化学官能团组成发生了显著变化（图2）。原始纤维中在3340厘米^?1处出现的宽O-H伸缩带略微移动至3337厘米^?1，表明半纤维素和木质素的去除减少了氢键的形成。这一变化还体现在1733厘米^?1处出现了更强的C-O伸缩峰，取代了未处理样品中较弱的1643厘米^?1峰。

结论与建议

本研究成功将木棉纤维和椰子壳转化为具有良好海洋石油泄漏治理潜力的生物基复合气凝胶。主要成果如下： - 经过预处理、凝胶化、冷冻干燥和表面改性后制备的双纤维气凝胶具有轻质多孔结构，比表面积约为428平方米/克。 - 木棉纤维的加入赋予了气凝胶天然的疏水性和浮力。

CRediT作者贡献声明

Ibrahim Ahmed Abass：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、资源管理、项目协调、方法设计、研究实施、资金申请、数据分析、概念构思。 Makungu M. Madirisha：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据管理、概念构思。 Elisante E. Mshiu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据管理、概念构思。 Sixberth Mlowe：

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢桑给巴尔州立大学（SUZA）、达累斯萨拉姆大学化学系和坦桑尼亚达累斯萨拉姆国家医学研究所（NIMR）提供的资金支持，这些机构为本研究工作的完成创造了有利条件。