基于固废生物炭的超疏水光热海绵用于太阳能驱动的原油吸附及高效油水分离

《Separation and Purification Technology》：Superhydrophobic photothermal sponge from solid-waste biochar for solar-driven crude oil adsorption and efficient oil-water separation

　　**摘要要点**- 一种具有光热和阻燃特性的固体废物衍生超疏水海绵（PDMS@KC/PMS）吸附剂。- 在模拟太阳照射下，表面温度在300秒内达到127.4 °C，可实现64.20 g·g?1的原油吸附。- 乳化液分离能力以及机械和化学稳定性使PDMS@KC/PMS适用于油污处理。**引言**原油泄漏和含油工业废水排放日益频繁，对全球生态系统和公众健康构成了严重而持久的威胁[1, 2, 3]。传统的处理技术，如原位燃烧[4]、机械撇油[5]和化学分散[6]，往往受到高能耗、分离性能不足以及二次污染风险的制约。相比之下，采用三维（3D）多孔吸附剂的吸附技术因其卓越的效率、操作简便性和经济可行性，被公认为是一种特别有吸引力的策略[7, 8]。在各种多孔材料中，三聚氰胺海绵（MS）凭借其高度多孔的三维网络和低廉的价格引起了广泛关注，使其成为大规模油污清理的理想候选材料[9, 10, 11]。然而，天然MS的实际应用受到其两亲性性质的严重限制，导致其无法从水中选择性吸附油污污染物[12, 13]。尽管已提出各种疏水改性MS的策略，但大多数主要关注低粘度油或有机溶剂，无法满足原油修复的需求[14, 15, 16]。在环境温度下，原油的高粘度和差的流动性使其难以渗透到吸附材料内部。这一固有特性极大地降低了MS材料处理原油的效率，延长了修复过程，并大大增加了二次污染的风险[17, 18]。此外，油污修复通常在高温等恶劣且复杂的条件下进行；因此，处理过程中的火灾风险也不可忽视[19, 20, 21]。为了应对处理原油的挑战，研究人员尝试赋予吸附材料光热特性，使其在太阳照射下能够高效地将太阳能转化为热能，从而降低原油的粘度并提高材料的吸附效率。Wang等人[22]制备了一种超疏水PDA-Fe?O?/TiN@PDMS-MS海绵，其在模拟太阳照射下的表面温度为81.3 °C，能够吸附自重44倍的原油。Lin等人[23]制备了一种超疏水MS/PANI/PPy/ACNTs/PDMS材料，其在模拟阳光照射下100秒内达到201.8 °C，原油吸附容量达到40.1 g·g?1。这些光热吸附材料可以有效地提高高粘度原油的吸附效率。然而，光热材料的使用会导致吸附剂表面温度的快速升高。被吸附的原油是易燃的，因此高温会进一步增加火灾风险。因此，消防安全已成为油污回收过程中的另一个重要关注点。最近，一些研究人员试图赋予吸附材料光热和阻燃双重特性。例如，Ji等人[24]制备了一种超疏水PDMS/Fe?O?@MMT/SA@PDA-MS海绵。在模拟太阳照射下，表面温度升至74 °C。与未改性海绵相比，800 °C时的残留质量增加了20.63%，热稳定性显著提高。Yu等人[25]开发了一种超疏水NH?-MIL-101(Fe)@Fe?O?@PDMS@PU海绵，其表面温度可达到60.9 °C。与原始PU海绵相比，其燃烧时间从3秒延长至24秒，表明阻燃性能增强。此外，Wang等人[26]利用石墨烯制备了一种超疏水PDMS@PCGPs@PU泡沫。该泡沫在模拟阳光下20秒内温度升至80 °C以上，同时表现出优异的阻燃性。然而，目前关于具有光热和阻燃特性的吸附材料的研究仍存在一定局限性。所报道的合成过程通常复杂，难以实现大规模生产。此外，某些方法需要使用危险溶剂，从而导致环境污染。此外，某些研究依赖昂贵的碳材料或金属化合物，显著增加了合成成本。这些问题严重限制了吸附材料在油污清理中的使用。因此，迫切需要一种简单、廉价且环保的方法来制备具有光热和阻燃特性的吸附材料，用于大规模海洋油污清理。普遍认为，生物基材料在循环经济、环境保护和生物原料利用方面具有巨大潜力。最近，研究人员开始专注于从生物基材料制备油水分离材料[27, 28]。通过碳化生物基材料获得的生物基衍生碳具有多孔结构和大比表面积。与石墨烯和碳纳米管等昂贵物质相比，生物基衍生碳可生物降解且价格低廉，使其在大规模工业应用中具有特别优势[29, 30]。在众多生物基材料中，向日葵茎是在向日葵油生产期间产生的农业副产品。每年有数百万吨向日葵茎被丢弃或焚烧，造成不良的环境影响。向日葵茎富含木质纤维素，具有天然分级结构，这有助于其转化为多孔碳[31, 32]。碳化后，所得生物基衍生碳显示出宽带光吸收和有效的光热转换。此外，它可以作为保护层来提高材料的阻燃性[33, 34, 35]。因此，向日葵茎生物基衍生碳为生产具有光热和阻燃特性的可持续且高效的油水分离材料提供了一条简单、廉价且环保的途径。在本研究中，成功制备了一种多功能超疏水PDMS@KC/PMS，用于有效的油水分离。将碳化向日葵茎获得的生物基衍生碳颗粒（KC）通过聚多巴胺（PDA）紧密附着在MS骨架上，形成微/纳粗糙结构。该粗糙结构不仅赋予复合材料良好的光热性能，还与低表面能聚二甲基硅氧烷（PDMS）协同作用，创造出水接触角（WCA）为153.0°的超疏水表面。PDMS@KC/PMS对不同油和有机溶剂的最大吸附容量达到133.22 g·g?1。它还有效分离了油水混合物，并具有良好的可重复使用性。经过10个循环后，分离效率仍保持在98.8%以上。在照射下，PDMS@KC/PMS表面温度在20秒内快速升高至114.3 °C。此外，该复合海绵表现出良好的阻燃性以及化学和机械稳定性。因此，PDMS@KC/PMS为恶劣条件下的油污清理提供了一种高效、耐用且安全的解决方案，显示出巨大的应用潜力。**章节摘要***PDMS@KC/PMS的制备*首先，将干燥的向日葵茎粉碎并筛分。所得粉末在300 °C的马弗炉中煅烧2小时，获得黑色生物炭（KC）。接下来，将MS切割成小块（2 cm × 2 cm × 1 cm），用去离子水和乙醇交替清洗，然后在60 °C下干燥。之后，将其浸入20 mL的Tris-HCl缓冲液（pH = 8.5）中，其中含有0.01 g多巴胺（DA），并在室温下搅拌24小时。在60 °C干燥后，得到PDA@MS并定义为PMS。*PDMS@KC/PMS的设计与制备*在本研究中，成功制备了一种多功能超疏水PDMS@KC/PMS海绵。首先，通过多巴胺的氧化自聚合在原始MS上沉积PDA纳米层。由于PDA的强粘附力，KC颗粒可以使用PDA牢固地负载到海绵骨架上。附着的KC颗粒与PDA层一起，不仅在海绵表面构建了微/纳米级粗糙结构，还赋予了海绵出色的……*结论*在本研究中，成功构建了一种具有光热转换和阻燃集成能力的超疏水PDMS@KC/PMS。PDA层将KC固定在MS骨架上，两者共同形成微/纳米级粗糙结构。该粗糙结构不仅赋予复合材料优异的光热性能，还与随后涂覆的低表面能PDMS协同作用，创造出WCA为153.0°的超疏水表面。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。**致谢**本研究得到了新疆维吾尔自治区重点研发计划（项目编号：2025B03009-2）、国家自然科学基金（项目编号：22365029）以及新疆维吾尔自治区天山人才项目（项目编号：2023TSYCCX0038）的支持。作者：Junli Yu | Jihong Fu | Qichao Wu | Mengdie Li | Jiahui Xu | Jingjing Du | Ronglan Wu