可见光诱导自清洁ZnO/石墨烯改性碳毡：超亲水性与水下超疏油性助力按需油水分离

为解决工业脱脂废水(DGW)中油污堵塞导致的过滤材料性能下降问题，吉林科研团队通过电沉积和直接沉淀法构建了ZnO/Gr-CF复合材料。该材料在可见光下展现出自清洁性能(分离效率恢复率94.6%)，能高效分离油水混合物(通量146169.2 L·m?2·h?1)和乳化液(通量28571.0 L·m?2·h?1)，为实际DGW处理提供了新思路。

　　

在金属加工和汽车制造等行业中，脱脂废水(DGW)的处理一直是环保难题。这类废水中含有浮油(>150?μm)、分散油(20–150?μm)和乳化油(<20?μm)等多种形态的油类污染物。传统方法如气浮或生物降解存在效率低、成本高等问题，而基于特殊润湿性的过滤材料虽能实现油水分离，却面临长期使用后油污堵塞的困境。这就像给厨房安装了一个高效滤网，但滤孔很快会被油脂糊住——如何让"智能滤网"具备自清洁能力，成为科学家们亟待解决的课题。

吉林科研团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究给出了创新解决方案。他们以碳毡(CF)为基底，通过电化学剥离法组装石墨烯(Gr)，再通过直接沉淀法沉积氧化锌(ZnO)，构建出具有分级微纳粗糙结构的ZnO/Gr-CF复合材料。这种材料的神奇之处在于：水下油接触角达到153.0°的超疏油性，可见光下2.78?eV的窄带隙赋予其自清洁能力，就像给滤网装上了"自动清洁按钮"。

研究采用电化学剥离法制备Gr-CF基底，通过直接沉淀法生长ZnO纳米片，利用接触角测量仪评估润湿性，X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析材料结构，紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定光吸收特性。实际测试包括重力驱动下的油水分离实验、可见光照射下的自清洁循环实验，以及针对AW-大众公司实际DGW的处理验证。

【表面形貌】部分显示，原始CF纤维表面光滑(粗糙度0.55?mm)，修饰后形成Gr微米片与ZnO纳米片的层级结构(粗糙度3.12?mm)，这种"微米-纳米"二级结构如同荷叶表面的乳突，是特殊润湿性的基础。

【润湿性分析】证实材料具有超亲水性(空气中水接触角0°)和水下超疏油性(153.0°)，这归因于ZnO表面丰富的羟基和Gr的导电网络形成的协同效应。就像在材料表面构建了"水分子保护罩"，使油滴难以附着。

【油水分离性能】数据显示，对正己烷/水混合物的分离效率达99.8%，通量高达146169.2 L·m^?2·h^?1，相当于1平方米材料1小时能处理14.6万升废水。处理乳化油时仍保持98.3%的分离效率，证明其"精细过滤"能力。

【自清洁性能】最具突破性的是可见光下的自清洁功能。经过50次循环后，分离效率恢复率(SERR)和通量恢复率(FRR)仍保持在89.5%和92.1%，这得益于ZnO/Gr异质结拓宽的光响应范围(吸收边446?nm)，使材料能利用太阳光中43.2%的可见光进行光催化降解。

【实际应用测试】部分显示，处理AW-大众公司的实际DGW时，对不混溶油和乳化油的分离效率分别为96.0%和70.8%，通量稳定在5425.0–4600.0 L·m^?2·h^?1范围，证实了工业化应用潜力。

结论部分强调，该研究通过构建ZnO/Gr异质结实现了三大突破：一是将光响应范围从紫外区(仅占太阳光4%)扩展到可见光区；二是通过微纳结构设计实现重力驱动下的高通量分离；三是建立"分离-自清洁"一体化解决方案。这种材料成本低廉(碳毡基底)、制备简便(电沉积+沉淀法)，为工业废水处理提供了可规模化应用的新范式。正如研究者Wenwen Sun在讨论中指出的，这种将光催化自清洁与特殊润湿性相结合的策略，不仅适用于DGW处理，还可拓展至海洋溢油应急、食品工业等涉及油水分离的领域。