基于CNF/PDA复合膜的仿生超疏水光热材料：绿色高效油水分离与高粘度原油吸附的创新解决方案

针对石油工业废水处理中膜材料耐久性差、成本高、环境不友好等问题，吉林科研团队受贻贝粘附蛋白和荷叶自清洁效应启发，通过冷冻干燥-喷雾改性技术构建CNF/PDA/ODA复合膜。该材料展现2.9 MPa抗拉强度、3745 L·m?2·h?1通量及98.5%分离效率，经5次循环仍保持91.8%性能，其光热转化特性可实现高粘度原油快速吸附，为绿色水处理提供新范式。

　　

随着石油工业迅猛发展，原油泄漏和含油废水污染已成为威胁生态环境与公共健康的重大挑战。传统膜分离技术虽具有高效节能优势，却面临机械强度不足、易污染、聚合物材料不可降解等瓶颈。尤其在高粘度原油处理场景中，现有材料往往因孔隙堵塞和热响应迟缓导致效率骤降。自然界中，荷叶的微纳结构赋予其超疏水自清洁能力，贻贝则通过粘附蛋白在潮湿环境中实现强力附着——这两种生物特性为开发新型功能材料提供了绝妙灵感。

吉林科研团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究中，创新性地将纤维素纳米纤维(CNF)的力学优势、聚多巴胺(PDA)的仿生粘附特性与十八胺(ODA)的低表面能特性相结合，通过冷冻干燥-喷雾改性技术构建出具有分级多孔结构的CNF/PDA复合膜。该材料在弱碱条件下通过DA自聚合形成共价/非共价网络，ODA通过希夫碱反应与氢键作用稳固嫁接，最终获得兼具机械强度与特殊润湿性的功能材料。研究证实该膜对水包油(W/O)乳液分离效率达98.5%，经10次吸附-脱附循环仍保持98.5%初始容量，其光热转化效率使高粘度原油吸附速率提升3倍以上。

关键技术包括：1）深共熔溶剂(DES)预处理玉米秸秆提取CNF；2）需氧弱碱条件下DA自聚合构建PDA涂层；3）喷雾法实现ODA梯度修饰；4）光热响应性能测试系统。

【材料组成与性能优化】
通过DES处理玉米秸秆获得高纯度CNF，FTIR证实PDA成功通过儿茶酚胺结构与CNF形成稳定连接。SEM显示改性后膜表面形成微米级突起与纳米级粗糙结构，接触角达152°，符合Cassie-Baxter模型。XPS分析证实ODA通过-NH₂与PDA醌基发生希夫碱反应，嫁接率达89.7%。

【机械与分离性能】
拉伸测试显示复合膜强度达2.9 MPa，优于纯CNF膜(1.2 MPa)。对于正己烷/水混合物，分离通量达3745 L·m^?2·h^?1，较传统PP膜提高40%。循环测试中，膜表面残留油滴经乙醇冲洗即可恢复疏水性，证实其自清洁特性。

【光热转化机制】
UV-Vis显示材料在300-2500 nm宽谱带吸收率达92%，归因于PDA的黑色素特性。在1 kW·m^?2光照下，10秒内使高粘度原油(5000 mPa·s)粘度下降76%，吸附容量达28 g·g^?1，显著优于无光热响应材料。

该研究突破性地将生物仿生策略与绿色化学相结合，开发的CNF/PDA膜兼具环境友好性与工业适用性。其创新点在于：1）全程采用乙醇为溶剂，避免有毒试剂；2）通过PDA"分子桥"提升ODA嫁接率；3）巧妙利用材料本征光热效应解决高粘度原油处理难题。这项技术为海洋溢油应急处理、石化废水回用等场景提供了可持续解决方案，相关机理对开发智能响应型环境材料具有重要指导意义。