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科学家开发出环保花粉海绵来解决水污染问题

通过|2021年4月14日

这种花粉海绵可以吸收石油污染物,如汽油和机油,在一个速度可比的商业石油吸收剂

在冷冻干燥之前,坚硬的花粉粒被转化为柔软的凝胶状物质。图片:南大

由新加坡南洋理工大学(NTU)领导的一个科学家团队发明了一种可重复使用、可生物降解的海绵,这种海绵可以很容易地从受污染的水源中吸收石油和其他有机溶剂,使其成为解决海洋石油泄漏的一个很有前途的替代方案。

石油泄漏很难清理,对海洋生态系统造成严重的长期破坏。传统的清理方法,包括使用化学分散剂将石油分解成非常小的液滴,或者用昂贵的、不可回收的材料吸收它,可能会加剧损害。

这种海绵由向日葵花粉制成,其表面有一层天然脂肪酸,可以防水。在实验室实验中,科学家们展示了这种海绵吸收各种密度的石油污染物的能力,比如汽油和机油,其吸收速度与商业石油吸附剂相当。

到目前为止,研究人员已经设计出直径为5厘米的海绵。由新加坡南洋理工大学和韩国成均馆大学的科学家组成的研究小组认为,如果将这些海绵按比例扩大,可能成为处理海洋石油泄漏的环保替代品。

南洋理工大学材料科学与工程学院的赵南俊教授领导了这项研究,他说:“通过微调花粉的材料属性,我们的团队成功开发了一种海绵,可以有选择地针对受污染水源中的石油,并将其吸收。”使用一种在自然界中随处可见的材料也可以使海绵价格合理,可生物降解,并且对环境友好。”

这项研究建立在南洋理工大学为花粉寻找新用途的基础上,通过将花粉坚硬的外壳转化为微凝胶颗粒。花粉因其坚硬的外表而被称为植物界的钻石。这种柔软的凝胶状材料随后被用作一种新型环保可持续材料的构建块。

去年,赵永平与南洋理工大学校长苏伯拉·苏雷什教授共同领导了一个研究小组,用花粉制造一种类似纸的材料,作为一种更绿色的纸张替代品。这种“花粉纸”还会随着环境湿度水平的变化而弯曲和卷曲,这一特性可能对软机器人、传感器和人造肌肉很有用。

“不用于植物授粉的花粉通常被认为是生物废物,”Cho补充说。“通过我们的工作,我们试图找到这种‘废物’的新用途,把它变成一种可再生的、负担得起的、可生物降解的自然资源。”花粉也具有生物相容性。当接触到身体组织时,它不会引起免疫、过敏或毒性反应,这使得它可能适用于伤口敷料、修复术和可植入电子产品等应用。”

研究结果发表在科学杂志上先进功能材料

用花粉做海绵

为了形成海绵,南洋理工大学的研究小组首先通过类似于传统肥皂制作的化学过程,将向日葵中超韧的花粉粒转化为柔韧的凝胶状材料。

这一过程包括去除包裹在谷粒表面的粘性油基花粉水泥,然后将花粉在碱性条件下培养三天。然后将得到的凝胶状材料冷冻干燥。

这些过程导致了具有三维多孔结构的花粉海绵的形成。将海绵短暂加热至200°C,这一步骤在反复吸收和释放液体后,使其形态和结构稳定。科学家们还发现,加热还能使海绵的抗变形能力提高两倍。

为了确保海绵选择性地以油为目标而不吸水,科学家们在其表面涂上了一层硬脂酸,这是一种在动植物脂肪中常见的脂肪酸。这使得海绵在保持其结构完整性的同时具有疏水性。

科学家们用不同密度的油和有机溶剂,如汽油、泵油和正己烷(一种在原油中发现的化学物质),对花粉海绵进行了吸油测试。

他们发现海绵的吸收能力在9.7到29.3 g/g以上。这可与商用聚丙烯吸收剂相媲美,后者是石油衍生物,吸收能力范围为8.1至24.6 g/g。

他们还通过反复将海绵浸泡在硅油中,然后将油挤出来测试其耐用性和重复使用性。他们发现这个过程可以持续至少10个周期。

在最后的概念验证实验中,研究小组测试了直径为1.5厘米、高度为5mm的海绵从受污染的水样中吸收机油的能力。海绵在不到2分钟的时间内就很容易地吸收了机油。

Cho说:“总的来说,这些结果表明,花粉海绵可以选择性地吸收和释放石油污染物,并具有与商业石油吸收剂相似的性能水平,同时展示了成本低、生物相容性和可持续生产等诱人的特性。”

展望未来,研究人员计划扩大花粉海绵的规模,以满足行业的需求。他们还希望与非政府组织和国际伙伴合作,在真实环境中对花粉海绵进行试点试验。

他说:“我们希望这种创新的花粉材料有一天能取代广泛使用的塑料,帮助遏制塑料污染的全球问题。”

参考:Youngkyu黄、等。胶体介导的3D花粉海绵的石油修复应用,高级功能材料(2021年)。DOI:10.1002 / adfm.202101091

新加坡南大提供的新闻稿