用于水生系统溢油清理的可持续超疏水超亲油黄麻材料开发

《Marine Pollution Bulletin》：Sustainable superhydrophobic and superoleophilic jute for oil-spill clean-up in aquatic system

本研究针对传统溢油清理方法的环境风险，开发了一种通过甲基三乙氧基硅烷(MTES)和十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)复合硅烷溶液改性的超疏水黄麻织物。该材料具有164±2°的水接触角(WCA)，对多种油类分离效率高达99.9%，可重复使用50次，且在酸碱及模拟海水环境中保持稳定，为海洋溢油治理提供了可持续解决方案。

　　

随着全球能源需求的持续增长，海上石油勘探活动日益频繁，溢油事故的发生率也呈现上升趋势。这些事故对水生生态系统构成长期威胁，影响多种生物物种的生存，甚至导致急性生物损伤。2019年巴西沿海九州发生的溢油事件导致东北沿海鱼类销量下降超过50%，严重影响了当地社区的生计和收入，凸显了这一问题的重要性和紧迫性。

传统溢油清理方法包括合成吸附剂和化学分散剂等，虽然能够在一定程度上缓解溢油问题，但往往带来额外的环境风险。合成吸附剂由不可生物降解的石油基聚合物制成，会加剧塑料污染；化学分散剂则可能对海洋生物产生毒性，并将石油扩散到水生系统更深层。其他物理方法如过滤、撇油、离心等则面临成本高、操作复杂、能耗大、分离效率低以及产生二次污染物等挑战。

在这一背景下，印度理工学院（印度矿业学院）化学工程系的Namita Dubey、Sapan Kumar Pandit和Aditya Kumar团队在《Marine Pollution Bulletin》上发表了一项创新研究，开发了一种具有超疏水(superhydrophobic)和超亲油(superoleophilic)特性的改性黄麻材料，为可持续的溢油清理提供了新的解决方案。

研究团队采用简单的浸渍技术，使用甲基三乙氧基硅烷(MTES)和十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)的复合硅烷溶液对黄麻织物进行改性。该方法的关键在于避免了纳米颗粒和氟化硅烷的使用，既降低了成本，又减少了对环境的潜在危害。研究人员通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和接触角测量等技术对材料进行了系统表征，并评估了其在不同条件下的油水分离性能。

材料与方法

研究使用商业黄麻织物作为基底材料，通过简单的浸渍工艺在黄麻表面构建超疏水涂层。关键技术包括复合硅烷溶液的配制与优化、浸渍-干燥工艺参数的控制、材料表面特性的系统表征（包括润湿性、形貌和化学组成分析），以及在不同环境条件下（酸碱、盐水、模拟溢油场景）的油水分离性能测试。

结果与讨论

表面润湿性分析显示，改性黄麻织物的水接触角达到164.6°，表现出优异的超疏水性，同时对各种油类保持超亲油特性。表面形貌表征表明，复合硅烷在黄麻纤维表面形成了微纳米层次的粗糙结构，这是实现超疏水性的关键因素。

在油水分离性能方面，该材料对多种油类和有机溶剂均表现出高达99.9%的分离效率，且可重复使用50次而性能不显著下降。特别值得注意的是，在酸性(pH 1)、碱性(pH 11)和模拟海水环境中，材料仍能保持良好的分离性能，显示出卓越的化学稳定性。

机械性能测试表明，改性黄麻织物具有足够的力学强度，能够承受实际应用中的机械应力。生物降解性研究显示，虽然涂层延缓了黄麻的降解过程，但材料仍保持可生物降解性，符合环境可持续性要求。

与先前研究相比，本工作开发的材料在多个方面表现出明显优势：避免了氟化物的使用，提高了环境友好性；通过复合硅烷的协同效应增强了涂层的耐久性；在更广泛的环境条件下验证了材料的实用性；同时考虑了材料的生物降解特性，为实际应用提供了更全面的评估。

结论与意义

这项研究成功开发了一种基于天然黄麻的超疏水超亲油材料，通过简单的浸渍工艺实现了对黄麻织物的有效改性。该材料不仅具有优异的油水分离性能和良好的环境稳定性，还保持了生物可降解特性，在可持续性方面具有明显优势。

研究的创新之处在于采用了无氟、无纳米颗粒的改性策略，通过MTES和HDTMS的复合使用，既实现了所需的超疏水特性，又提高了涂层的耐久性。系统性的性能评估，特别是在模拟真实环境条件下的测试结果，为材料的实际应用提供了有力支持。

这项工作为海洋溢油治理和工业废水处理提供了一种经济、高效且环境友好的解决方案，特别适用于极端环境下的溢油应急处理。由于黄麻是廉价、丰富的天然纤维，该技术具有大规模应用的潜力，对保护水生生态系统、促进可持续发展具有重要意义。未来，这种材料可能在海洋环境保护、工业废水处理等领域发挥重要作用，为应对日益严峻的水体油污染问题提供新的技术选择。