超细玻璃纤维表面构建分级微纳结构实现石油产品深度脱水

为解决石油产品中乳化水难去除的工业难题，研究人员通过构建Ni2CO3(OH)2/PDA@GF分级微纳结构纤维材料，实现水含量<10 ppm、通量59,840 L m?2 h?1的深度脱水性能，为工业油品纯化提供新策略。

　　

石油作为现代工业的血液，其产品中的水分如同潜伏的破坏者——乳化水因0.1-100 μm的微小尺寸和稳定界面膜，成为传统重力沉降、离心分离难以攻克的目标。现有纤维床聚结技术虽成本低廉，但脱水后100 ppm的水含量仍无法满足航空燃油等高端领域≤30 ppm的严苛标准。更棘手的是，这些微小水滴会引发发动机腐蚀、微生物滋生甚至喷射系统堵塞，每年造成数十亿美元损失。如何突破微米级水滴捕获效率的瓶颈，实现"深度脱水"（filtrate water <10 ppm），成为横亘在能源纯化领域的一道技术鸿沟。

来自山东的研究团队将目光投向自然界中荷叶与水稻叶的微纳分级结构启示，创新性地在直径仅1 μm的超细玻璃纤维（GF）表面构建垂直排列的Ni₂CO₃(OH)₂分级结构。这种设计通过聚多巴胺（PDA）分子桥实现结构稳固锚定，使水滴铺展时间缩短至900 ms。发表于《Separation and Purification Technology》的研究成果显示，在4 mm床厚、90%孔隙率、1.684×10^?3 m/s流速的优化条件下，该材料对白油、航空煤油等多种石油产品的脱水性能突破工业极限，水含量较传统材料降低10倍，通量提升近3倍，同时展现优异的机械化学稳定性。

关键技术包括：1）水热法构建Ni₂CO₃(OH)₂微纳结构；2）聚多巴胺（PDA）界面修饰增强结合力；3）微流控技术模拟液滴碰撞聚集过程；4）工业级白油（2#,15#,32#,46#）作为测试基质。

【材料制备】SEM显示原始GF表面光滑（图2a(i-iii)），经PDA修饰后成功负载垂直生长的Ni₂CO₃(OH)₂纳米片（图2a(iv-vi)），比表面积提升8.7倍。接触角测试证实超亲水性（θ<90°），为液滴快速捕获奠定基础。

【脱水机制】分级结构通过三重作用提升效率：1）微米级纤维骨架实现初级捕获；2）纳米片阵列产生毛细力促进液滴聚并；3）PDA层增强结构稳定性。微流控观测显示，改性纤维表面液滴聚并速度较传统材料快2.3倍。

【性能验证】在32#白油测试中，Ni₂CO₃(OH)₂/PDA@GF将出水含量从对照组的87 ppm降至8 ppm，通量保持59,840 L m^?2 h^?1。经100次循环或150°C高温处理，脱水效率衰减<5%，硫酸盐耐受性测试显示pH 2-12范围内性能稳定。

该研究不仅证实微纳分级结构对液滴动力学行为的调控作用，更开创性地将生物启发材料应用于能源纯化领域。所开发的"纤维尺寸减小+表面微纳构筑"双策略，为工业脱水材料设计提供普适性范式。研究团队特别指出，该技术成本仅为膜分离的1/8.6，在船舶燃油处理、航空煤油精制等场景具备规模化应用潜力。未来通过调控Ni₂CO₃(OH)₂晶体取向，有望进一步突破亚ppm级脱水极限。