一种修复石油污染海洋的装置及方法

1.本发明属于海洋石油污染修复技术领域，具体涉及一种修复石油污染海洋的装置及修复海洋中石油污染的方法。


背景技术：

2.溢油事故对生态环境造成了不可逆转的破坏，严重威胁到人类和其他生物的生存。目前，在石油污染海域修复领域已有较为成熟的相关技术，如化学分散法、控制燃烧法、生物降解法和吸附法等。遗憾的是以上几种技术还存在一定的问题，例如，使用化学分散法和控制燃烧法易造成二次污染；生物降解法只适合处理极少量浮油，不适合大规模使用。相较前面几种方法，吸附法和生物法相结合的方式由于效率高、修复周期短等优点深受研究者的青睐，展示出极大的应用前景。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种修复石油污染海洋的装置，包括外舱体、设置于外舱体内的内舱体、设置于外舱体上部的用于使装置漂浮在水面上的浮体和设置于外舱体的底壁上的用于控制装置运动的动力系统；
4.所述外舱体和内舱体之间形成用于放置吸附材料的第一除油仓；所述内舱体内形成用于放置吸附材料的第二除油仓；
5.所述外舱体的侧壁上设置若干个外舱体进水口；所述内舱体的侧壁上设置有若干个内舱体进水口；
6.所述内舱体的底壁上设置有出水口，所述出水口的下部设置有用于排出内舱体内部的水的排水泵；
7.所述外舱体进水口、内舱体进水口和出水口的进水端均设置有过滤网。
8.本发明还提供一种基于修复石油污染海洋的装置的修复方法。
9.有益效果
10.(1)本发明装置的进水口处设置监测海水中是否存在油体的浮油传感器，监测到有油体存在时再开启传感器对应的外舱体进水口，这种方式能够更精准准的捕获油体；本发明装置采用内外舱体的设计，可以防止装置进水后倾斜，影响装置的运行和进水效果。
11.(2)本发明装置采用吸附 降解的处理方式对海水中的石油进行吸附和降解，可以有效的去除海水中的浮油；第一除油仓内的吸附材料采用疏水改性浒苔 灭活的石油降解菌-疏水改性浒苔复合材料先对海水中的浮油进行吸附，吸附后海水中的残油会进入到第二除油仓内，第二除油仓内的改性浒苔固定化石油降解菌会对未被吸附的油体进行吸附和降解，彻底去除海水中存在的油体。
12.(3)本发明利用疏水改性浒苔作为固定化材料，复合高效石油降解菌制备成复合材料，实现对溢油浮油的进一步吸附和降解，将石油烃类转变为水、二氧化碳等无害成分。
13.(4)本发明采用生物质材料浒苔作为石油的吸油载体，不仅可以减轻浒苔爆发带
来的海洋生态环境问题，实现生物质废物资源化，而且可以提高石油吸附效率，修复石油污染海洋，保护自然环境。
附图说明
14.通过阅读下文的具体实施方式的详细描述，本发明的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图是说明性的，并不认为是对本发明的限制。在附图中：
15.图1为本发明的修复石油污染海洋的装置的顶视立体视角结构示意图；
16.图2为本发明的修复石油污染海洋的装置的底视立体视角结构示意图；
17.图3为本发明的修复石油污染海洋的装置的顶视立体视角结构示意图(含太阳能电池板)；
18.图4为石油降解菌-疏水改性浒苔复合材料sem图。
具体实施方式
19.为了便于理解本技术，下面结合附图对本技术进行更全面的描述。
20.实施例1：
21.如图1和2所示，本发明提供一种修复石油污染海洋的装置，包括外舱体1、设置于外舱体1内的内舱体2、设置于外舱体1上部的用于使装置漂浮在水面上的浮体3和设置于外舱体1的底壁上的用于控制装置运动的动力系统6；本实施例中的动力系统6使用360度全旋转式螺旋桨；
22.所述外舱体1和内舱体2之间形成用于放置吸附材料的第一除油仓；所述内舱体2内形成用于放置吸附材料的第二除油仓；
23.所述外舱体1的侧壁上设置若干个外舱体进水口1-1；所述内舱体2的侧壁上设置有若干个内舱体进水口2-1；
24.所述内舱体2的底壁上设置有出水口4，所述出水口4的下部设置有用于排出内舱体2内部的水的排水泵8；
25.所述外舱体进水口1-1、内舱体进水口2-1和出水口4的进水端均设置有过滤网9。
26.上述的修复石油污染海洋的装置可以使用船拖曳到海中进行油污吸附清除作业，使用的吸附材料可以是常规的疏水亲油的材料。
27.作为一个优选的方案，为了更好的确认海水中是否存在油污，在上述实施方案的基础上，所述外舱体1在外舱体进水口1-1的外部设置有用于监测海水中是否存在油体的浮油传感器1-2(本实施例中使用的是：品牌：row，型号：o-2300a)；
28.所述内舱体2的内壁上设置有用于检测吸附效果的吸附检测装置7；(本实施例中使用的是：品牌：瑞蒙德；型号：rmd-iscod)
29.外舱体内壁上设置有用于监控第一除油仓内水体液位的液位传感器1-3。
30.作为另一个优选的方案，所述的修复石油污染海洋的装置还包括用于控制外舱体进水口1-1、内舱体进水口2-1、出水口4开启、关闭的控制系统；所述控制系统还用于控制动力系统6和排水泵8的开启和关闭。
31.当外仓体1外部设置的浮油传感器1-2检测到油污存在后，控制系统控制动力系统6关闭，同时控制该浮油传感器1-2对应的外舱体进水口1-1打开，未检测到油污的浮油传感
器1-2对应的外舱体进水口1-1不打开。
32.当液位传感器1-3检测到进入第一除油仓内的海水到达指定液位时或者在未达到指定液位前浮油传感器1-2都检测不到油污时，控制系统控制外舱体进水口1-1关闭；之后，水体在第一除油仓内吸附。
33.当吸附30分钟后，控制系统控制内舱体进水口2-1打开，水体进入第二除油仓，之后内舱体进水口2-1关闭；同时，控制系统控制位于内舱体2的底壁上的排水泵8和出水口4打开，进入第二除油仓的海水穿过吸附、降解材料后排出，海水中的石油粘附、吸附到第二除油仓内的吸附、降解材料上，之后控制系统控制位于内舱体2的底壁上的出水口4和排水泵8关闭，粘附、吸附的石油在第二除油仓内降解。
34.内舱体进水口2-1关闭后，如果浮油传感器1-2仍然检测到外部海水有油污存在，则继续吸附。
35.上述的整个装置可以使用太阳能供电，具体的，如图3所示，装置还包括用于给装置提供电源的太阳能发电系统5，所述太阳能发电系统5的太阳能电池板设置于浮体3的上部。
36.上述的修复石油污染海洋的装置可以使用船拖曳到海中进行自动油污吸附清除作业，除此之外，基于上述方案，在装置上加装智能船控系统gps-全球卫星定位系统可以实现远程操控，遥控操作本发明的装置寻找油污并吸附海水中的油污，当装置中的吸附材料耗尽后，遥控回收装置。
37.实施例2
38.第一除油仓和第二除油仓内可以使用现有的材料对海水中的石油进行吸附和降解。除此之外，本实施例提供几种新型的吸附材料。
39.第一除油仓内放置的吸附材料为疏水改性浒苔和灭活的石油降解菌-疏水改性浒苔复合材料，两者的重量比为1.2-1.3:1；
40.所述疏水改性浒苔由以下方法制备而成：
41.收集天然的浒苔，用海水清洗，去除掉杂质，在50℃条件下去除表面的自由水；之后将浒苔在改性液中浸泡12小时，浸泡后在50℃条件下烘干；
42.所述改性液由以下原料按照质量比组成：正辛基三乙氧基硅烷(c
14h32
o3si)：钛酸四丁酯(c
16h36
o4ti)：乙醇＝75：5：920。
43.所述灭活的石油降解菌-疏水改性浒苔复合材料由以下方法制备而成：
44.收集天然的浒苔，用海水清洗，去除掉杂质，在50℃条件下去除表面的自由水；之后将浒苔在含高效石油降解菌的固定化培养基上培养两天，使高效石油降解菌生长在浒苔上，然后将长有高效石油降解菌的浒苔高压灭菌，最后将灭菌后的浒苔置于疏水改性液中浸泡12h，取出于50℃干燥。
45.固定化培养基(1l)：蔗糖(10g)，牛肉膏(5g)，酵母菌(1.5g)，nacl(30g)，ph调节至7.0。
46.本专利中使用的高效石油降解菌为假单胞菌属(pseudomonas sp.)和希瓦氏菌属(shewanella)，其中：假单胞菌属与希瓦氏菌属的比例为1:1(v/v)；假单胞菌的有效菌活数为2
×
10
7-2
×
108cfu/ml，希瓦氏菌属的有效菌活数为1
×
10
8-1
×
109cfu/ml。本实施例中使用的假单胞菌属的菌株为施氏假单胞菌(pseudomonas stutzeri)ts340248，希瓦氏菌属的
菌株腐败希瓦氏菌(shewanella putrefaciens)ts274529，两种菌株均购自宁波泰斯拓生物技术有限责任公司。除此之外，还可以使用其他石油降解菌来代替假单胞菌属与希瓦氏菌属。
47.实施例3
48.本实施例提供另一种载有石油降解菌的吸附材料，不但可以对石油进行吸附，还可以对吸附后的石油进行降解。
49.第二除油仓内放置的材料为改性浒苔固定化石油降解菌所述改性浒苔固定化石油降解菌由以下方法制备而成：
50.将5g未改性浒苔浸泡到200ml6.02wt％的十二烷基苯磺酸钠水溶液中进行改性，24h后取出浒苔，用烘箱烘至干燥后磨碎装袋备用。将10ml菌液、0.75g改性浒苔混入50ml浓度为4wt％的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀后用滴管滴入3wt％的无水氯化钙溶液中，形成球形的固定化菌剂。将制备好的固定化菌剂储存在装有3wt％的无水氯化钙溶液的聚乙烯瓶中，放置在4℃的冰箱中，交联24小时以上。取出后用生理盐水冲洗，放入蒸馏水中待用。
51.吸附材料的性能验证
52.实施例2中改性前后浒苔的疏水性变化：
53.取相同质量的疏水改性前后的浒苔，分别进行干燥处理，然后研磨成粉末，用压片机压成硬币大小的片状固体。分别在原始浒苔片和改性浒苔片上滴加3μl去离子水，用德国kruss dsa30接触角测量仪测量两者的接触角，来表征改性前后浒苔的疏水性变化。
54.评价条件：测量过程中，记录测试过程中水与原始浒苔片和改性浒苔片的接触角大小。
55.结果显示：通过接触角分析得出水与未经改性的浒苔片的接触角为0
°
，说明未经改性的浒苔具有很强的亲水性；水与改性后浒苔片的接触角为137
°
，说明疏水改性成功，改性后的浒苔具有较高的疏水性。以上结果表明，硅烷能够改变浒苔表面的润湿性，将其由超亲水亲油性改变为疏水亲油性，说明本发明提供的方法能够通过简单的方法成功制备有利于油-水分离的疏水吸油材料。
56.改性前后浒苔对柴油的吸附效果：
57.在体积相同的两个烧杯中各加入200ml水和20ml苏丹iii染色的柴油。之后，在两个盛有柴油的烧杯中分别放入2g疏水改性前的浒苔和疏水改性后的浒苔，观察疏水改性前后浒苔对柴油的吸附效果以及油-水分离效果。
58.评价条件：通过浒苔的染色情况，观察疏水改性前后浒苔对柴油的吸附效果。
59.结果显示：加入改性前浒苔的烧杯中仍然浮有大量的柴油，而加入疏水改性后浒苔的烧杯中则没有明显的浮油，说明疏水改性后的浒苔对柴油有很强的吸附能力和较好的油-水分离效率。
60.实施例2中制备得到的石油降解菌-疏水改性浒苔复合材料进行场发射扫描电子显微镜观察。
61.评价条件：观察石油降解菌-疏水改性浒苔复合材料的形貌。
62.结果显示：制备的复合材料sem图如图4所示，材料表面有大量的细小颗粒，可能与灭活菌团的存在相对应。结果表明，高效石油降解菌被成功地固定在表面，这种表面形貌有利于柴油的吸附。
63.吸附能力测试
64.首先在称有50ml海水的锥形瓶中加入5ml柴油，分别取0.1g的实施例2制备的疏水改性前后的浒苔以及实施例2制备的石油降解菌-疏水改性浒苔复合材料放入盛有柴油的锥形瓶中，吸油前的浒苔的重量记为m1，一定时间后取出吸附柴油后的浒苔称其重量记为m2，则吸附能力用k＝(m
2-m1)/m1来表示。
65.评价条件：表征疏水改性前后浒苔以及复合材料对柴油的吸附能力，并进行比较分析。
66.结果：疏水改性前的浒苔对柴油的吸附能力为2.6g/g，疏水改性后的浒苔对柴油的吸附能力为11.4g/g，对比实验结果表明疏水改性浒苔对柴油具有更好的吸附效果。另外，石油降解菌-疏水改性浒苔复合材料的吸附效果进一步提高，达到了14.5g/g。
67.实施例3制备的复合材料对柴油的去除能力测试：
68.首先在盛有100ml海水的锥形瓶中加入0.5ml柴油(含油量0.5％)，将石油降解菌(含菌量1％)和改性浒苔固定化石油降解菌(含菌量1％)分别投加到含油海水中，并放置在恒温振荡器中培养，采用分光光度法测定复合材料对柴油的去除率。
69.评价条件：测量复合材料对柴油的去除能力，并与游离态石油降解菌的除油能力进行比较分析。
70.结果显示：与游离态石油降解菌相比，石油降解菌-疏水改性浒苔复合材料对柴油的去除能力显著上升，从82.81％(游离态石油降解菌对柴油的去除效率)提高到94.90％(改性浒苔固定化石油降解菌对柴油的去除效率)。
71.实施例4
72.基于实施例1的装置和实施例2-3的吸附材料，本实施例提供一种修复石油污染海洋的方法，具体的，将装置放置到石油烃污染的海域、码头或者近海海岸等区域中，遥控本发明的装置到达指定海域寻找油污，当外仓体1外部设置的浮油传感器1-2检测到油污存在后，控制系统控制动力系统6关闭，同时控制该浮油传感器1-2对应的外舱体进水口1-1打开，未检测到油污的浮油传感器1-2对应的外舱体进水口1-1不打开；
73.当液位传感器1-3检测到进入第一除油仓内的海水到达指定液位时或者在未达到指定液位前浮油传感器1-2都检测不到油污时，控制系统控制外舱体进水口1-1关闭；之后，水体在第一除油仓内吸附。
74.当吸附30分钟后，控制系统控制内舱体进水口2-1打开，水体进入第二除油仓，之后内舱体进水口2-1关闭；同时，控制系统控制位于内舱体2的底壁上的排水泵8和出水口4打开，进入第二除油仓的海水穿过吸附、降解材料后排出，海水中的石油粘附、吸附到第二除油仓内的吸附、降解材料上，之后控制系统控制位于内舱体2的底壁上的出水口4和排水泵8关闭，粘附、吸附的石油在第二除油仓内降解。
75.内舱体进水口2-1关闭后，如果浮油传感器1-2仍然检测到外部海水有油污存在，则继续吸附。
76.从外舱体1内的海水进入内舱体2三次后，暂停海水进入第一除油仓，海水在内舱体2内吸附、降解；海水最后一次进入内舱体2内起24小时后，如果当内舱体2的内壁上设置的吸附检测装置7检测到的油污含量与最后一次进入内舱体2内的海水油污含量差值小于20％时，说明内舱体2内的吸附、降解材料已经耗尽，此时，回收装置重新更换吸附材料。
77.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。