可回收、耐用且具有抗菌性能的竹纤维素纳米气凝胶，表面涂覆了ZnO@PDA核壳纳米颗粒，可用于高效实现油水分离

《Industrial Crops and Products》：Recyclable, robust, and antimicrobial bamboo cellulose nanofiber aerogel decorated with ZnO@PDA core-shell nanoparticles for efficient oil-water separation

纤维素纳米纤维气凝胶通过聚多巴胺自粘附和聚二甲基硅氧烷改性，实现高吸附能力（71.03 g/g）、机械强度（103.16 kPa）及抗菌性能（杀菌率＞99.8%），并保持优异循环稳定性（十次循环后分离效率＞93.21%）。

　　本研究聚焦于一种新型的竹纤维素纳米纤维气凝胶材料的制备及其在油水分离领域的应用潜力。传统上，气凝胶因其轻质、多孔的结构特点，在有机溶剂吸附方面展现出卓越的性能，但其在实际应用中仍然面临一些关键挑战，如环境适应性不足和机械性能较差等问题。为了解决这些缺陷，研究团队提出了一种创新策略，通过聚多巴胺（PDA）自粘附和物理交联的方法，利用竹纤维素纳米纤维（BCNF）、海藻酸钠（SA）、核心-壳纳米颗粒以及聚二甲基硅氧烷（PDMS）构建出具有优异环境适应性和稳定机械性能的气凝胶材料。这种新型材料不仅在吸附能力上表现出色，还具备显著的抗菌性能，使其在复杂环境下的油水分离应用中展现出广阔前景。

### 材料与方法

本研究采用的竹纤维素纳米纤维（BCNF）来源于竹子的提取过程，通过化学处理和超声波分散技术获得。BCNF具有良好的可塑性和自支撑特性，同时具备较高的表面活性。为了提升其机械强度，研究者引入了海藻酸钠作为交联剂，与BCNF形成三维交联网络结构，从而增强气凝胶骨架的强度。这种交联方法不仅提高了材料的结构稳定性，还为后续功能化处理提供了基础。

为了进一步改善材料的表面特性，研究团队引入了ZnO@PDA核心-壳纳米颗粒。这种纳米颗粒通过多巴胺在ZnO表面的自聚合过程形成，能够在气凝胶表面形成一层稳定的涂层。PDA的引入不仅增强了材料的表面粗糙度，还赋予其优异的粘附能力，使其能够有效吸附不同种类的油类物质。此外，ZnO纳米颗粒本身具有良好的抗菌性能，因此ZnO@PDA的加入显著提升了气凝胶的抗菌能力，使其能够在复杂的环境中保持高效的工作性能。

为了增强气凝胶的疏水性，研究团队采用真空浸渍的方法将PDMS涂覆在气凝胶表面。PDMS是一种具有优异疏水性能的材料，其引入使得气凝胶表面形成了强疏水层，从而提升了其在油水分离过程中的选择性吸附能力。这种疏水性不仅有助于油类物质的快速吸附，还提高了材料在长期使用过程中的稳定性。

在实验过程中，研究团队对气凝胶进行了系统的表征分析，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等。这些表征手段不仅揭示了气凝胶的微观结构，还验证了其表面化学成分的变化，从而进一步确认了材料的功能性增强效果。同时，研究者还通过压缩测试和热重分析（TGA）评估了气凝胶的机械性能和热稳定性，结果显示其具有较高的压缩强度和良好的抗热性能。

### 性能表现

研究团队测试了气凝胶在不同油类物质吸附中的表现，发现其吸附能力达到了26.98至71.03倍自身重量的范围。其中，对于椰子油的吸附能力尤为突出，达到了71.03 g/g。这一结果表明，该气凝胶能够有效吸附多种类型的油类物质，包括轻质油和重质油。此外，通过重复的吸附-脱附实验，研究者发现气凝胶在经历10次循环后，仍然能够保持超过90%的原始吸附能力，说明其具有良好的可重复使用性和循环稳定性。

在油水分离性能方面，气凝胶表现出了极高的分离效率，达到了99.1%以上。特别是在重力分离实验中，气凝胶能够有效区分油和水，实现高效分离。研究者还设计了一种真空辅助连续分离系统，以评估气凝胶在工业环境中的应用潜力。实验结果显示，该气凝胶在真空条件下能够实现高达2122.06 L·h?1·m?2的分离通量，表明其具备高效处理大规模油水混合物的能力。

除了吸附性能，气凝胶还表现出显著的抗菌能力。通过盘扩散法和扫描电子显微镜（SEM）观察，研究者发现气凝胶对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的杀菌率分别达到了99.83%和99.78%。这一特性使其能够有效应对油水分离过程中可能存在的微生物污染问题，特别是在处理含油废水时，能够同时实现污染物的吸附和微生物的控制。

### 环境适应性与应用前景

气凝胶的环境适应性是其在实际应用中的一大优势。研究团队通过调整ZnO@PDA纳米颗粒的含量，实现了对气凝胶结构和性能的调控。结果显示，当ZnO@PDA纳米颗粒的浓度达到一定水平时，气凝胶的机械强度和疏水性能均得到显著提升。同时，其在不同pH值的盐水中仍能保持稳定的疏水性能，表明其具备良好的化学稳定性。

此外，气凝胶的轻质特性使其在实际应用中更加便捷。其密度仅为0.0615 g/mL，且具有较高的孔隙率（94.7684%），这不仅增强了其吸附能力，还提高了其在实际应用中的可操作性。例如，气凝胶可以轻松地被塑造成不同的形状，以适应不同场景下的需求。同时，其良好的弹性性能使得在反复压缩和释放过程中，结构不会发生明显破坏，进一步证明了其在实际使用中的耐用性。

### 未来展望

尽管本研究已经取得了显著成果，但仍有进一步优化的空间。例如，PDA本身具有一定的pH响应性，这意味着其在不同环境条件下的性能可能会有所变化。因此，未来的研究可以探索如何通过功能化处理，使其在更广泛的pH范围内保持稳定的性能。此外，气凝胶在处理多种复杂油污时，其吸附性能和分离效率仍有待进一步提升。研究者可以考虑引入更多种类的纳米材料或调整材料的结构，以提高其对多种污染物的吸附能力。

总体而言，BCSZPP气凝胶在油水分离领域展现出巨大的应用潜力。其不仅具备高效的吸附能力，还具有良好的机械性能、环境适应性和抗菌能力，这使得其在实际应用中能够满足多种复杂环境的需求。未来，随着进一步的技术优化和材料改性，这种气凝胶有望成为一种广泛应用的绿色吸附材料，为环境保护和工业废水处理提供新的解决方案。