智能自加热聚苯乙烯基原油收集器，具备多重能量场耦合功能：超疏水性、一步制备工艺、高效控制油水系统及重金属混合污染问题

《Separation and Purification Technology》：Smart self-heating polystyrene-based crude oil collector with multiple energy field coupling: superhydrophobic, one-step preparation, efficient control of oil-water systems and heavy metal mixed pollution

本研究采用HIPEs模板技术制备了一种具有智能双能驱动（光热与电热）的超级疏水自加热泡沫材料。该材料具备优异的超疏水性（接触角155.6°）、高原油吸附能力（51.4–118.6 g/g）及热转换性能（光热97.2°C，电热112.4°C），在油水乳液分离中效率超过99%，同时表现出良好的化学稳定性和重金属吸附能力（62.8–88.1 mg/g），为原油泄漏及多污染物系统提供了高效、可持续的解决方案。

　　在当今社会，随着工业对化石燃料的需求不断上升，石油泄漏事件变得越来越频繁。这种泄漏不仅对生态环境构成严重威胁，还可能对人类健康产生深远影响。石油作为一种复杂的有机混合物，其高粘性使得自然分解过程极为缓慢，甚至在某些情况下几乎无法分解。尤其是在海洋环境中，石油泄漏往往伴随着其他污染物，如重金属离子，形成复杂的污染系统。因此，开发一种能够高效、安全、可持续处理石油泄漏和多污染物系统的材料，已成为科学研究的重要课题。

传统的石油-水分离技术虽然在一定程度上缓解了污染问题，但在实际应用中仍存在诸多不足。例如，生物降解法虽然环保，但其处理效率较低且周期较长；油吸收材料虽然具有良好的吸附性能，但成本较高，且在处理高粘性石油时效果不佳；膜分离技术虽然具有较高的选择性，但容易受到污染影响，且能耗较大；而燃烧法和电化学处理则可能带来二次污染问题。相比之下，吸附法因其高分离效率、良好的稳定性以及较低的成本，被认为是处理石油泄漏的优选方案。然而，现有的吸附材料在面对高粘性原油时仍存在吸附性能不足的问题，限制了其在实际应用中的广泛性。

为了克服这一瓶颈，研究者们开始探索结合热辅助技术的吸附材料。热辅助技术能够有效降低原油的粘度，从而提高其在吸附材料表面的流动性，进而增强吸附效率。近年来，太阳能热转换和电热转换技术成为研究的热点。太阳能热转换技术因其环境友好、能源效率高以及操作简便，受到广泛关注。例如，一些研究通过在聚苯乙烯（St）和二乙烯基苯（DVB）基质中引入碳黑等物质，成功制备了具有光热转换性能的聚苯乙烯泡沫材料，并在连续分离原油方面取得了良好效果。然而，这类材料在光照不足的情况下，其热转换性能会受到明显限制，影响了其在全天候环境下的应用。

相比之下，电热转换技术能够在光照不足的条件下提供稳定的热源，确保分离过程的连续性和可靠性。目前，具有电热转换能力的碳材料，如MXene、氧化石墨烯（GO）、蜡烛烟（CSs）和碳纳米管（CNT）等，被广泛研究。其中，CNT因其优异的热稳定性、机械性能、光吸收能力、热导率和电导率，被认为是极具潜力的材料。更重要的是，CNT具有良好的功能化和改性潜力，使得其在多种应用场景中表现出色。基于这些优势，研究者们开始尝试将CNT引入吸附材料中，以实现对高粘性原油的高效处理。

本研究采用了一种创新的方法，通过高内相乳液（HIPE）模板技术，一步法合成了具有智能双能驱动的超级疏水自加热泡沫材料。该材料由St、DVB和PEM有机单体作为连续相，H-CNT-s水溶液作为分散相组成。通过引入PEM，显著降低了聚合物的表面能，而全氟烷基基团则有效减少了聚合物链的刚性，使得材料具备更高的结构灵活性。此外，通过逐步引入和去除硬脂酸分子，并加入固态粒子H-CNT-s，形成了大量纳米级的“空隙”和突起，进一步增强了材料的超级疏水性能。同时，引入了硫醇功能化的H-CNT-s，使得材料具备优异的光热和电热转换性能，以及广泛的重金属吸附能力。

这种新型材料不仅在光热转换方面表现出色，其在电热转换下的性能同样令人瞩目。在光照条件下，材料的温度可迅速上升至97.2°C；而在电压驱动下，温度可达到112.4°C。这种高效的热转换能力，使得材料能够在各种环境下快速升温，从而有效降低原油的粘度，提高其在材料表面的流动性，进而增强吸附效率。此外，材料还展现出优异的油吸附能力，其吸附量在51.4–118.6 g/g之间，能够有效处理不同类型的油水混合系统。在泵辅助条件下，材料的连续油水分离效率超过99%，表明其在实际应用中具有良好的稳定性。

除了在石油吸附方面的卓越表现，该材料还具备对多种重金属离子的吸附能力。其吸附量在62.8–88.1 mg/g之间，表明其在处理多污染物系统时具有显著优势。这种多功能性使得材料不仅适用于单一的石油泄漏处理，还能应对复杂的污染环境，如石油与重金属离子共同污染的水体或土壤。在实际应用中，这种材料的低密度和三维多孔结构也为其提供了良好的物理特性，使其在实际操作中更加便捷和高效。

本研究的成功不仅在于材料的制备工艺，更在于其在实际应用中的表现。通过一步法合成的P(St5-DVB2-PEM3)/H-CNT-s9泡沫材料，不仅具备超级疏水性，还能在光热和电热双重驱动下实现高效的油水分离。其优异的性能使其成为处理高粘性原油泄漏和多污染物系统的理想选择。此外，该材料的可重复使用性和安全性，也为其在工业和环境治理领域的广泛应用提供了保障。

在材料科学和环境工程的交叉领域，开发具有高效吸附性能和热辅助能力的新型材料，是解决石油泄漏和多污染物处理问题的重要方向。本研究通过引入PEM和H-CNT-s，成功构建了一种具有智能双能驱动的超级疏水泡沫材料，为未来的环境治理提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探索该材料在不同环境条件下的性能表现，以及其在实际应用中的长期稳定性和经济可行性。此外，还可以尝试将该材料与其他功能材料结合，以拓展其在环境治理中的应用范围。