Nano Res.│中科院化学所王毅琳课题组：可逆解体与再生表面活性剂多级组装体用于循环高效清除油污

背景介绍

工业清洗剂的大量使用以及伴随产生的废水对经济和环境造成了巨大负担和严重污染，迫切需要开发新型的经济环保清洗剂。可循环清洗无疑是实现经济环保清洗的最具吸引力的手段，符合可持续发展的要求，对建设资源节约型、环境友好型社会具有重大意义。动态共价键因其固有的可逆特性吸引了广泛的兴趣，它可以像共价键一样强烈形成，但在某些条件下，可以像非共价键那样可逆地断裂和重组。基于动态共价键构筑表面活性剂使得构建循环清洗剂成为可能。然而，要建立一个真正的可循环清洗剂还需要满足更多的要求，包括对油污的高效分散和乳化能力、清洗油污后可完全油水分离、前驱体的水溶性和油不溶性以确保无损失、以及低成本和生态友好性等，建立满足所有上述特征的动态表面活性剂是一项非常具有挑战性的难题，文献中尚未有对这类表面活性剂的报道。

成果简介

中科院化学所王毅琳课题组通过尝试多种不同醛和胺的组合，最终发现由2甲酰基苯磺酸钠盐（FBSS）和不同链长线性胺（C_nNH₂，n=6~12）构建的动态亚胺表面活性剂可以实现循环去油污。该体系中动态表面活性剂的形成和解离具有优异的pH响应可逆性，从而赋予了体系优异的可循环性能。动态表面活性剂可以在碱性条件下形成，并通过形成水包油乳液有效地包裹和去除油污；当体系变为酸性条件时，动态表面活性剂自动解离，乳液破坏，油滴被释放并漂浮到上层；在除去油层并将溶液调回碱性后，动态表面活性剂被重构并用于下一个清洗循环。FBSS/C₈NH₂具有最高的循环清洗效率，并且对不同基材（不锈钢、塑料、橡胶和玻璃）上油污的清洗可重复使用至少10次。这是因为FBSS/C₈NH₂体系具有最低的动态表面张力，表明表面活性剂分子倾向于快速扩散到界面。

FBSS/C₈NH₂的最低油/水界面张力也确保了其优异的乳化能力。更重要的是，FBSS/C₈NH₂的强自组装能力促使体系形成从小囊泡到网络再到空心球的分级组装结构，这使表面活性剂分子能够快速在油滴附近富集并包覆油滴。本体系的动态表面活性剂除了具有可循环利用和高效去除油污的优点，还具有环境友好的优势，油/水分离很容易发生，产生的废水对生态系统的影响微乎其微。总之，本研究所建立的循环清洗策略通过重复使用大大延长了清洗剂的使用周期，显著降低了清洗剂的消耗、成本以及环境污染，有助于洗涤剂行业的可持续发展，对建设生态友好型社会将具有重要贡献。

图文导读

图1可循环表面活性剂去油污策略示意图。

图2 FBSS/C_nNH₂动态亚胺表面活性剂的形成和表征。（a）FBSS与C_nNH₂化学反应方程式。（b）FBSS/C₈NH₂（15.0 mM）在pH 10.0和2.5下的1H NMR信号峰。（c）等温滴定量热曲线：将FBSS溶液滴到C₈NH₂溶液中的热流值随时间的变化曲线，内插图为观察焓随FBSS和C₈NH₂摩尔比的变化曲线。（d）FBSS/C_nNH₂各体系表面张力曲线。（e）FBSS/C_nNH₂各溶液浊度值。（f）FBSS/C_nNH₂各溶液中形成聚集体的尺寸分布。（g）FBSS/C₈NH₂溶液（15.0 mM）中聚集体的共聚焦显微镜图像。（h）FBSS/C_nNH₂各溶液的Zeta电位值。

图3 FBSS/C₈NH₂溶液中多级组装结构的表征和组装机理示意图。（a）冷冻扫描SEM图像（a₁-a₆）。（b）冷冻透射TEM图像（b₁-b₃）。（c）囊泡、网络结构和中空网络球形成的示意图。

图4 FBSS/C_nNH₂动态共价表面活性剂循环清洗不锈钢板表面油污的结果。（a）在pH 10.0，FBSS/C₈NH₂溶液清洗涂有油污的不锈钢板后形成的乳液照片（上排）；当pH调至2.5发生油水分离，油滴向溶液顶部富集（下排）；（b）乳液表面（上图）和析出油层（下图）的放大图。（c）经FBSS/C_nNH₂各溶液超声清洗后置于紫外光下的不锈钢板，残留的油污在紫外光照射下会发出蓝光，反之，则表明无油污残留。（d）采用称重法测出FBSS/C_nNH₂各溶液在不同循环次数下的清洗效率。（e）不同pH下尼罗红最大发射波长，以550 nm波长激光激发，浓度为10.0 µM；（f）尼罗红最大发射波长在pH 10.0（蓝色方块，~635 nm）和pH 2.5（红色方块，~655 nm）间的10次循环，表明聚集体的形成和解散是可逆的。

图5 动态共价表面活性剂循环去油污机理示意图。

作者简介

王毅琳，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。主要研究方向：设计合成新型表面活性剂，利用表面活性剂的表界面结构、自组装规律和相行为，建立适用于农药施用、消毒杀菌、工业清洗、废水处理、个人护理以及提高采收率等领域的高效功能体系。先后负责和承担了科技部和基金委多个重点项目，发表SCI论文200余篇，申请发明专利30余项。

通讯邮箱：[e-mail].

韩玉淳，中国科学院化学研究所副研究员。主要研究方向：新型表面活性剂复配体系的组装规律和性能调控的基础与应用研究。主持和参与过多项国家自然科学基金项目，发表SCI论文70余篇，申请发明专利7项。

通讯邮箱：[e-mail]

王腾达，论文第一作者，中国科学院化学研究所2020级博士研究生。研究方向：表面活性剂在高效去油污、银片刻蚀和抗菌等方面的应用。

课题组链接：http://yilinwang.iccas.ac.cn

文章信息

T. Wang, S. Dai, J. Wang, et al. Detachable and hierarchical assemblies for recyclable and highly efficient oil-fouling removal. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4986-y.

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