用于从产出水中去除石油油的可持续软木基生物吸附剂：性能、功能化效率及工业化可行性

《Sustainable Chemistry One World》：Sustainable cork-derived biosorbents for the removal of petroleum oil from produced water: performance, functionalization efficiency and industrial feasibility

　　

万斯利森·达席尔瓦·索阿雷斯（Wanslhison da Silva Soares）|莉泽特·贡萨维斯·莫拉埃斯·德莫拉（Lyzette Gon?alves Moraes de Moura）|克劳德米尔·戈麦斯·德桑塔纳（Claudenir Gomes de Santana）|丹尼斯·科雷亚·达席尔瓦（Dennys Correia da Silva）|贾西内·热苏斯·弗雷塔斯·卡多索（Jaciene Jesus Freitas Cardoso）

摘要

本研究探讨了从生产水中去除石油的软木基生物吸附剂的技术和经济可行性，解决了关于特定物理化学改性（工业热处理与酸功能化）如何决定表面活性剂稳定乳液中混合吸附-捕获机制效率的关键机制问题。通过全面的结构表征和批吸附动力学在空间稳定条件下系统评估了吸附剂的性能。结果表明，经过工业处理的软木（$\mathit{Co}{P}_1$）在1 g·L?1的剂量下实现了99.03%的优异油去除率，显著优于自然状态和功能化处理的软木（在2 g·L?1的剂量下去除率低于46%）。这一显著优势归因于其优化的介孔结构与保留的疏水域之间的平衡，成功克服了乳化滴的立体障碍。初步的扩大规模和经济评估表明，该处理方法的成本具有高度竞争力（1.0–1.5美元·立方米），且吸附剂消耗量低。最终，将这种丰富的农工业废弃物转化为高效净化材料提供了一种高度可扩展、低运营成本的解决方案，使石油和天然气行业与循环经济框架高度契合。

引言

石油和天然气行业仍然是全球能源体系的支柱，在技术发展和地缘政治稳定中发挥着战略作用[1]、[2]、[3]。尽管可再生能源系统迅速扩展，但基于石油的资源仍满足世界大部分初级能源需求，这得益于其经济可行性、基础设施成熟度以及高能量密度[4]、[5]。然而，过度开采引发了严重的环境和监管问题，尤其是在敏感的海上作业中[6]、[7]。

因此，管理生产水——作为碳氢化合物提取的最大副产品，随着储层的成熟其体积不断增加——已成为一个关键的操作挑战[8]、[9]。据估计，每生产一桶石油，可能会产生三到六桶生产水，具体取决于油田的地球化学和操作特性[10]、[11]。这种废水是一种复杂的混合物，含有分散和乳化了的海碳氢化合物、无机盐、悬浮固体，在某些情况下还含有天然放射性物质[12]。

适当处理生产水对于确保合规性以及减轻排放或回注带来的生态风险至关重要[13]。传统的处理技术如浮选、膜分离和化学破乳已得到广泛应用，但这些方法通常面临高运营成本、污染问题以及对进料成分敏感性的问题[14]、[15]、[16]。在这种情况下，吸附技术因其操作简便性、多功能性和与低成本吸附剂的兼容性而成为一种有吸引力的替代方案，同时还能实现固体残渣的潜在再生和循环利用。

为了使吸附剂在生产水处理中具有技术可行性，它必须具备有利的物理化学特性，包括高孔隙率、疏水性和丰富的能够与有机污染物相互作用的表面官能团。可再生生物材料因可生物降解性、可获得性和与工业可持续性框架的一致性而受到越来越多的关注。在这一类吸附剂中，软木因其细胞结构、内在的疏水性和富含单宁等酚类化合物的化学组成而显得特别有前景[17]、[18]。

软木是软木加工行业的未充分利用的副产品，传统上被丢弃或燃烧以回收低价值能源[19]。将其作为生物吸附剂加以利用引入了循环经济的理念，将农工业废弃物转化为环境技术的输入。先前的研究已经证明了软木在吸收碳氢化合物方面的适用性，但针对功能化途径、粒径优化以及在代表生产水系统的稳定油水乳液中的性能的研究仍然有限[17]、[20]、[21]。此外，虽然许多传统生物吸附剂需要能耗高的热解或复杂的化学活化才能达到可行的吸附能力，但利用简单的工业处理软木作为高效、低运营成本的替代品的潜力尚未得到充分评估。

基于这些研究空白，本研究评估了软木作为生物吸附剂从合成生产水乳液中去除石油的效率。该工作比较了未经处理的（自然状态）软木、工业处理的软木和功能化软木配方，以确定物理化学改性如何影响混合吸附和物理捕获性能。该方法整合了结构表征、酚类成分的定量以及在不同接触时间和吸附剂量下的批吸附测试。

本研究的目的是验证基于软木的材料作为可持续、低成本生物吸附剂的可行性，以满足生产水处理中的吸附性能要求。除了提供一个符合环境要求的解决方案外，这些结果还支持了将废物转化与合规性相结合的生物吸附技术的发展，有助于石油和天然气行业制定更具弹性の水资源管理策略。

部分摘录

材料和试剂

本研究中使用的所有试剂均为分析级或更高级别。磷酸（85%，ISOFAR，巴西）、乙醇（P.A.，DIN?MICA，巴西）、酪蛋白（纯级，êxodo Científica，巴西）、碳酸钠（P.A.，ISOFAR）、氯化钠（P.A.，ISOFAR）、氯化钙（P.A.，ISOFAR）以及Folin–Ciocalteu试剂2 M（êxodo Científica）被用于化学表征和功能化步骤。非离子表面活性剂聚山梨酯80（Tween 80，P.A.，ISOFAR）也被使用。

结果与讨论

本节展示了用于生产水处理的基本材料在表征和吸附性能方面的实验结果。讨论内容逐步涵盖：(i) 粒径标准化，(ii) 通过FTIR阐明化学结构，(iii) 单宁的鉴定和定量，(iv) 功能化对吸附剂结构的影响，(v) 乳液稳定性行为，以及 (vi) 吸附动力学和平衡。

结论

本研究表明，软木基生物吸附剂在分离和捕获稳定生产水中的石油方面的有效性主要取决于层次孔隙可访问性与保持的表面疏水性之间的关键平衡。与传统的分子吸附不同，工业处理后的细软木（$\mathit{Co}{P}_1$）的优异性能是由混合物理捕获机制驱动的。通过避免亲油性栓皮质的严重氧化降解，...

伦理声明

本研究无需伦理批准。

CRediT作者贡献声明

万斯利森·达席尔瓦·索阿雷斯（Wanslhison da Silva Soares）：撰写——初稿，方法论，研究，数据分析，概念化。克劳德米尔·戈麦斯·德桑塔纳（Claudenir Gomes de Santana）：撰写——初稿，方法论，研究，数据分析，概念化。莉泽特·贡萨维斯·莫拉埃斯·德莫拉（Lyzette Gon?alves Moraes de Moura）：撰写——初稿，方法论，研究，数据分析，概念化。贾西内·热苏斯·弗雷塔斯·卡多索（Jaciene Jesus Freitas Cardoso）：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督，项目规划

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢马兰哈昂联邦大学（Federal University of Maranh?o）的界面与材料化学实验室（LIM）和精确科学与技术中心的分析中心提供的科学基础设施和分析资源，这些资源使这项研究成为可能。作者还感谢巴西国家石油、天然气和生物燃料局（PRH-ANP，PRH-ANP-54）的人力资源计划的财政支持。

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