飞秒激光结构化废纸板：太阳能驱动同步分离油水乳液与高效清除粘稠原油

语 针对粘稠原油清理效率低、乳化油分离难、现有光热材料成本高且污染大的问题，研究人员利用飞秒激光一步法将废纸板转化为超疏水光热材料（FLS-CB）。该材料兼具93.4%太阳光吸收率与163.3°水接触角，实现太阳能驱动粘稠原油吸收量提升2.5倍（1倍光照强度下），同时作为膜材料实现乳化油近100%分离。该技术以废弃物为原料，无化学改性，为海洋原油污染治理与工业含油废水处理提供可持续解决方案。

　　

当废弃纸箱遇见飞秒激光：一场拯救海洋的"油"戏

原油泄漏如同海洋的黑色伤疤，粘稠的油污顽固附着在海面，传统吸油材料束手无策；工业排放的乳化油废水则因微小油滴难分离，持续威胁生态系统。2010年墨西哥湾"深水地平线"泄漏事故导致海洋生物大规模死亡，而每天全球油田产生的含油废水已超6亿桶。更严峻的是，粘稠原油因高粘度难以渗入多孔吸附剂，乳化油因微米级油滴稳定分散令常规分离技术失效。现有光热材料虽能利用太阳能加热降粘，却面临合成复杂（如石墨烯/碳纳米管）、有毒溶剂（如二氯甲烷）、高成本（如MXene）三大瓶颈。

美国大学研究团队另辟蹊径，将目光投向全球年填埋量达56%的废弃纸板（CB）。通过飞秒激光结构化技术（FLS），在无化学添加条件下，仅一步即将其转化为双功能材料（FLS-CB），成果发表于《Journal of Cleaner Production》。研究者采用平均功率2W的飞秒激光，以200μm线距扫描废纸板表面，诱导微通道形成与碳化反应；通过扫描电镜(SEM)、接触角测量仪评估表面结构与润湿性；使用太阳光模拟器（1-2倍光照强度）测试光热升温性能；分别以高粘度齿轮油（460 cSt）和水包十二烷乳液验证原油吸附与分离效率。

表面形貌与超疏水性

·激光诱导微通道与碳化
扫描电镜揭示：原始纸板呈纤维交织结构（图4a），激光处理后表面形成平行微沟槽（图4b），槽深约20μm，槽壁覆盖纳米级碳化颗粒（图4c）。拉曼光谱证实碳化层中石墨碳峰增强（图4d），X射线光电子能谱(XPS)显示碳元素占比从68.1%升至89.3%（图4e），氧元素骤降，证实激光诱导脱氧碳化。

·超疏水性与光热效应
微纳结构使水接触角达163.3°（图4f），实现超疏水性；太阳光吸收率高达93.4%（图4g）。在1倍和2倍光照强度下，表面温度分别达62.7°C和151.3°C（图4h），远高于未处理纸板（<40°C）。

粘稠原油太阳能清理

·吸附动力学突破
对高粘度齿轮油（室温粘度460 cSt）：无光照时，FLS-CB吸附量为21.4 g/g；1倍光照下升至53.7 g/g（2.5倍提升），超越多数报道材料（图5a）。光热效应使油粘度降低76%（图5b），吸附速率提高8倍（图5c）。循环10次后吸附量保持初始值90%（图5d）。

乳化油分离性能

·稳定分离工业级乳液
对含0.1%十二烷基硫酸钠(SDS)的水包十二烷乳液（油滴尺寸1-10μm），FLS-CB作为过滤膜实现99.2%分离效率（图6a），滤液含油量<10 ppm。连续运行24小时通量保持35 L·m^-2·h^-1（图6b），20次循环后效率仍>98%。

可持续性价值

·废弃物升级与成本优势
全球每年56%废纸板（约40亿美元价值）被填埋，FLS-CB以0.3美元/kg成本实现双功能：

1. 粘稠原油治理：太阳能驱动吸附量达53.7 g/g，减少化学分散剂二次污染；
2. 乳化油处理：替代能耗高的离心分离或昂贵超滤膜。
   生命周期评估显示，较于MXene改性泡沫，其碳足迹降低72%。

结论：废纸板的"绿色逆袭"

飞秒激光结构化废纸板（FLS-CB）通过表面微通道构筑与碳化，同步实现超疏水性与高效光热转换（93.4%吸收率）。其核心突破在于：

1. 粘稠油清理：151.3°C（2倍光照）高温使原油粘度骤降，吸附量提升2.5倍；
2. 乳化油分离：微通道筛分作用实现99.2%分离效率，通量稳定性超越传统膜材料；
3. 可持续闭环：原料来自废弃物，制备无需化学试剂，降解后回归自然循环。
   该技术为原油泄漏应急响应与工业废水处理提供了兼具经济性（成本<传统材料30%）、环境友好性（无有毒溶剂）、高效性（吸附量53.7 g>