在抗菌纳米纤维气凝胶中构建ZnO@PDA核壳纳米粒子，以实现可持续的油水分离

《Industrial Crops and Products》：Construction of ZnO@PDA core-shell nanoparticle in antimicrobial nanofibril aerogel for sustainable oil-water separation

纳米气凝胶油水分离材料研究进展：通过聚多巴胺包覆锌氧化物纳米颗粒构建核心壳结构，结合纤维素纳米纤丝与聚乙烯醇增强机械性能，经十八烷基三甲氧基硅烷表面改性获得O-ZP-PC气凝胶，其吸附能力达79.39 g/g，分离效率97%，抗菌率99.64%

　　在全球环境问题日益严重的背景下，油污染已成为水体和土壤治理领域亟需解决的重要挑战。随着石油开采和工业活动的增加，大量含油废水的产生不仅威胁生态系统的稳定性，还对人类健康构成潜在风险。传统的油水分离技术虽然在一定程度上能够处理污染问题，但其操作复杂、成本高昂、环境友好性不足等缺点限制了其广泛应用。因此，开发一种高效、环保、可重复使用的新型材料，对于提升油污染治理效率具有重要意义。本研究提出了一种基于纳米纤维素（CNF）的复合气凝胶材料，通过引入聚乙烯醇（PVA）和聚多巴胺（PDA）修饰的氧化锌（ZnO）纳米颗粒，成功构建了具有优异油水分离性能和抗菌能力的OTMS/ZnO@PDA/PVA/CNF复合气凝胶。该材料不仅在静态和动态条件下表现出卓越的吸附性能，还在实际应用中展现出良好的可回收性和环境适应性。

在材料设计方面，本研究充分利用了纳米纤维素气凝胶的轻质、高孔隙率和优异的吸附能力，同时通过PVA的化学交联作用增强了其结构稳定性。PVA作为一种环保材料，不仅具备良好的生物降解性，还能在微生物作用下分解为无害物质，从而减少对环境的二次污染。此外，PVA具有优异的热稳定性和非毒性特征，使其在工业和环境应用中更加安全可靠。为了进一步提升材料的机械性能，研究团队采用了ZnO@PDA核心-壳结构的纳米颗粒，利用PDA的自聚合特性将其均匀包覆在ZnO表面，形成稳定的复合结构。这一设计不仅增强了材料的吸附能力，还通过ZnO与PDA之间的化学键合作用，提高了整体的结构强度和耐久性。

为了实现材料的疏水性，研究者引入了十八烷基三甲氧基硅烷（OTMS），这是一种常见的硅烷偶联剂，能够通过与纤维素表面的羟基（-OH）和羧基（-COOH）发生反应，形成稳定的Si-O键，从而显著提高气凝胶的疏水性能。通过这一改性手段，O-ZP-PC气凝胶不仅在表面表现出极强的疏水性，其内部结构也得到了良好的疏水性修饰。这一特性使其在水体中能够稳定漂浮，有效避免了传统材料因吸水而下沉的问题。通过接触角测试，O-ZP-PC气凝胶在不同ZnO@PDA含量下均表现出超过110°的水接触角，其中1%浓度的ZnO@PDA复合气凝胶达到了最高的疏水性，接触角为124.7°，显示出其在实际应用中的巨大潜力。

在性能测试方面，O-ZP-PC气凝胶展现出极高的吸附能力，能够吸收多达79.39倍自身重量的多种油类和有机溶剂。这一数据表明，该材料在处理含油废水方面具有显著优势。此外，该材料在静态条件下对不同油品的分离效率高达97.0%，而在动态吸附条件下，即使经过10次循环吸附，其分离效率仍保持在97.04%以上，显示出良好的重复使用性能。这种高吸附能力和高分离效率的结合，使其在工业废水处理和海洋油污治理中具有广泛的应用前景。研究团队还设计了一种简易的动态吸附装置，利用真空泵驱动实现连续油水分离，其分离速率达到了37.7 L·h?1·g?1，这表明该材料不仅适用于静态环境，也能够适应复杂的动态污染场景。

为了进一步提升材料的实用性，研究团队特别关注了其抗菌性能。ZnO作为一种天然抗菌材料，能够通过释放锌离子（Zn2?）和生成活性氧物种（ROS），破坏细菌的细胞膜、蛋白质和核酸，从而有效抑制细菌的生长和繁殖。在本研究中，ZnO@PDA核心-壳结构的纳米颗粒被成功引入到复合气凝胶中，并通过实验验证了其对常见细菌如大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效果。数据显示，ZnO对金黄色葡萄球菌的灭菌率达到了97.56%，而ZnO@PDA核心-壳纳米颗粒对金黄色葡萄球菌的灭菌率则高达99.13%，对大肠杆菌的灭菌率更是达到了99.64%。这一结果表明，PDA包覆并未影响ZnO的抗菌性能，反而通过增强其表面亲和力和结构稳定性，进一步提升了材料的抗菌效果。

此外，O-ZP-PC气凝胶的机械性能也得到了显著提升。通过压缩测试，研究团队发现该材料在80%应变条件下表现出较高的压缩强度和弹性模量，其中1% ZnO@PDA含量的复合气凝胶压缩强度达到37.37 kPa，弹性模量为162.81 kPa。这表明，该材料不仅具备良好的吸附能力，还具有足够的机械强度，能够在实际应用中承受一定的外力作用，如水流冲击或压力变化，从而保持结构的完整性。为了进一步验证其机械性能，研究者还将其放置在乙醇溶液中，施加200克的重量后，材料能够显著变形但迅速恢复原状，且无结构性损伤。这种良好的弹性和可恢复性，使其在实际操作中更加稳定可靠。

从环境适应性角度来看，O-ZP-PC气凝胶不仅在水中表现出良好的疏水性，还能在不同pH值的盐溶液中保持稳定的性能。在pH值从2到12的范围内，该材料的表面接触角均保持在100°以上，显示出其在复杂环境下的适用性。这种广泛的环境适应性，使其能够应对多种污染场景，如海洋油污、工业废水等，从而满足不同场合的处理需求。同时，由于该材料基于天然纤维素和环保型PVA，其可降解性和生物相容性也得到了保障，符合可持续发展的理念。

本研究的创新点在于，通过将PDA修饰的ZnO纳米颗粒与CNF和PVA复合，成功构建了一种兼具高吸附能力、优异机械性能和强大抗菌效果的新型复合气凝胶。这种材料不仅能够高效吸附各种油类和有机溶剂，还能在实际操作中实现连续分离，减少了传统方法在处理过程中对设备和能源的依赖。此外，其良好的抗菌性能使其在微生物污染环境中具有更长的使用寿命和更好的稳定性，为实际应用提供了可靠的保障。O-ZP-PC气凝胶的制备过程简单，且材料成本较低，具备大规模生产和应用的潜力。

从实际应用的角度来看，O-ZP-PC气凝胶不仅可以用于工业废水的处理，还能在海洋油污清理中发挥重要作用。其轻质、高孔隙率和疏水性使得该材料能够在水面上快速吸附油污，同时保持自身的浮力，便于收集和处理。此外，其抗菌性能有效抑制了微生物对材料的腐蚀，延长了使用寿命，降低了维护成本。这些特性使其在环境修复领域具有广阔的应用前景，有望成为未来油水分离技术的重要发展方向。

总体而言，本研究提出了一种具有高吸附能力、优异机械性能和强大抗菌效果的新型复合气凝胶材料，为解决油污染问题提供了创新性的解决方案。该材料不仅在实验室条件下表现出色，其结构稳定性和环境适应性也使其具备实际应用的潜力。随着环保意识的增强和可持续技术的发展，O-ZP-PC气凝胶有望在未来成为油水分离领域的主流材料，为实现绿色、高效、经济的污染治理提供强有力的技术支持。