《Microporous and Mesoporous Materials》：Innovative Composite Aerogels Based on Cellulose Fiber, Metakaolin, Zeolite A, and Lignin for Sustainable Oil Sorption: Synthesis and Characterization
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本研究开发了一种新型复合纤维素基气凝胶，由棕榈纤维、偏高岭土和A型沸石组成，经硬脂酸表面改性后，显著提升了疏水性和油吸附能力（21.67 g/g），为环保型油水分离材料提供了创新解决方案。
沙布娜姆·马达希（Shabnam Madahi）|雷扎·诺鲁兹贝吉（Reza Norouzbeigi）|马纳兹·蒙塔泽里（Mahnaz Montazeri）
纳米材料与表面技术研究实验室，伊朗科学技术大学化学、石油与天然气工程学院，纳马克（Narmak），邮编16765–163，德黑兰，伊朗
摘要
技术的进步加剧了石油泄漏和油水乳液造成的污染，给废水处理带来了挑战，也暴露了传统机械、化学和生物方法的局限性。本研究开发了一种新型的复合纤维素基气凝胶，以棕榈纤维、偏高岭土（metakaolin）和A型沸石（zeolite A）为原料，并通过硬脂酸（stearic acid）进行表面改性以增强其疏水性。这些气凝胶通过冷冻干燥法制备，并使用XRD、FE-SEM、FTIR和BET分析技术进行了表征。FTIR证实了新功能团的引入以及有效的交联作用；XRD显示了纤维素、A型沸石和木质素峰的共存；BET分析表明其比表面积增加到了10 m2/g。偏高岭土和A型沸石的加入提高了比表面积并引入了微孔结构，从而增强了吸附能力。木质素因其疏水性和芳香性进一步提升了气凝胶的疏水性。这种协同作用使得该气凝胶具有较高的接触角（148.12° ± 1.5°）和出色的油吸附能力（21.67 ± 0.1 g/g），优于传统吸附剂。N?吸附-解吸等温线表现出IV型行为，表明其具有介孔结构，比表面积为10 m2/g，证实了其多层次多孔结构的形成。由于木质纤维素气凝胶很少与无机材料结合，因此这类添加剂对油去除效果的影响尚未得到充分研究。这项在受控条件下使用葵花籽油进行的小规模研究强调了基于可再生资源（如农业废弃物）的矿物-聚合物复合气凝胶在废水处理中高效吸附油类的潜力。
引言
科学技术的快速发展改善了人类生活，但也加剧了环境问题，尤其是大规模石油泄漏、污染以及废水中的油水乳液[1]。人类健康、水生生态系统和环境都受到这种污染的威胁。传统的修复方法（包括机械、化学和生物方法）通常成本高昂、耗时较长，且可能造成二次污染。这些局限性凸显了对创新、环保且有效的油水分离解决方案的需求[2]。
吸附被认为是去除油类的最有效方法之一，因为它操作简单、经济高效且二次污染风险低[3]。在各种吸附剂中，三维多孔结构由于具有较大的比表面积、相互连接的孔网络和增强的吸附能力而表现出优异的性能[4][5]。特别是纤维素基气凝胶因其超轻质、可生物降解、可再生以及可调的表面功能而受到关注[6]。通过表面改性，可以调节这些气凝胶的润湿性，使其能够选择性地吸附油类同时排斥水[7]。
为了进一步提高吸附性能，研究人员探索了添加无机成分的方法，因为这些添加剂可以提供额外的孔隙结构、热稳定性和表面功能[8]。多项研究表明，混合吸附剂显著提升了油类吸附效率和可回收性，证实了它们作为创新吸附材料的潜力。例如，Ma等人使用NMMO/DES共溶剂和后续碳化工艺合成了碳气凝胶，该气凝胶具有高疏水性、优异的可重复使用性和出色的油类及油水分离性能[9]。Li等人开发了一种有机-无机复合气凝胶（LN/MMT@cellulose），由木质素、蒙脱石和纤维素制成，可用于高效吸附水中的抗生素[10]。Rong等人报道了一种新型的纤维素纳米纤维/壳聚糖/蒙脱石气凝胶，该气凝胶在去除废水中的重金属方面表现出优异的结构稳定性、机械强度和高的吸附能力[11]。
纤维素纤维（β-1,4-葡聚糖）形成了富含羟基的氢键网络，这些羟基与戊二醛发生缩醛反应，形成在冷冻干燥过程中保持介孔结构的共价交联网络[12]。最新研究表明，经过硅烷类试剂（如MTMS）改性的疏水纳米纤维素气凝胶具有出色的油吸收能力和可重复使用性，适用于高效油水分离[13]。此外，长链纳米纤维素气凝胶作为可持续的多孔支架，具有可调的表面化学性质和高孔隙率，在废水处理应用中展现出巨大潜力[7]。木质素由交联的桂酰基、丁香酰基和对羟基苯基单元组成，赋予其固有的疏水性，有助于与有机污染物相互作用[14]。高岭土的控氧化反应生成非晶态偏高岭土，可作为A型沸石的前体。由此形成的铝硅酸盐网络具有非晶-结晶双重结构，具有均匀的微孔率和相互连接的框架刚性，为气凝胶结构提供了稳定的无机骨架[15]。
尽管取得了进展，但目前仍缺乏系统研究天然有机聚合物（纤维素、木质素）与无机相（偏高岭土、A型沸石）结合的方法，尤其是在结构-性能关系及废水中有选择性吸附油类的方面。
大多数以往的研究要么专注于生物基吸附剂，要么单独研究无机多孔材料。本研究通过将从棕榈树干废弃物中提取的纤维素纤维与木质素、偏高岭土和A型沸石结合，开发出一类新型的可持续生物基复合气凝胶。与以往报道的纤维素基或有机-无机气凝胶不同，本研究将木质纤维素成分与低成本铝硅酸盐矿物结合在单一气凝胶框架中，专门用于油类吸附应用。这些成分的选择基于它们的互补性质和协同性能潜力。木质素的加入得益于其固有的疏水性和增加表面粗糙度的能力，这两点对于提高疏水性和油类吸附选择性至关重要。偏高岭土作为一种丰富且低成本的材料，引入了多孔的铝硅酸盐结构，增加了可利用的吸附位点，并与纤维素气凝胶的微孔结构形成协同效应。A型沸石具有结晶微孔结构和高的比表面积，进一步提供了额外的油捕获位点，提高了吸附效率。当与作为可持续且机械强度高的纤维素纤维结合时，这些成分共同作用，使得气凝胶具有更高的疏水性、选择性和油吸附能力。经过硬脂酸表面改性后，所得气凝胶具有较高的接触角（最高达148.1°）、较高的油吸附能力（葵花籽油为21.67 g/g）以及良好的多次循环重复使用性。从环境和经济角度来看，使用可再生的木质素和广泛可获得的偏高岭土可以将低价值的农业废弃物转化为高性能的疏水性和亲油性吸附剂，为油水分离和环境修复提供了经济高效且可持续的替代方案。通过系统地将偏高岭土和A型沸石整合到纤维素基质中，并比较评估它们的结构和功能贡献，本研究更清晰地阐明了无机相如何调节孔结构、表面润湿性和吸附能力，从而推动了可持续生物-无机复合气凝胶的合理设计。
材料
氢氧化钠（NaOH，98%）、次氯酸钠（NaOCl，有效氯含量12–13%）、戊二醛（C?H?O?，50%水溶液）、十二烷基硫酸钠（SDS，C??H??SO?Na，98.5%）、乙醇（C?H?O，99.8%）、氯仿（CHCl?，99.8%）、丙酮（C?H?O，99.8%）、正己烷（C?H??，99.8%）、甲苯（C?H?，99.8%）、硬脂酸（C??H??O?，98%）和盐酸（HCl，37%）均从Merck购买，无需进一步纯化即可使用。原始高岭土（Al?Si?O?(OH)?(s)，纯度99%，来自伊朗
气凝胶的性质、形态和表面特征
使用FE-SEM分析了由偏高岭土合成的A型沸石的表面形态和颗粒特性。如图4所示，A型沸石具有明确的立方形态和相对均匀的颗粒大小分布，证实了所需晶相的成功形成。还观察到少量聚集的球形颗粒，表明在水热合成过程中形成了次要杂质相。
结论
本研究证明，纤维素、木质素、偏高岭土和A型沸石可以结合使用，合成一种新型的生物基/矿物复合气凝胶。创新之处在于这些组分的协同作用提升了油类吸附性能。木质素赋予了气凝胶固有的疏水性和增加的表面粗糙度，这两点对于选择性油类吸附至关重要。纤维素纤维提供了轻质的结构骨架。偏高岭土和A型沸石引入了丰富的微孔结构，进一步增强了吸附能力。
CRediT作者贡献声明
马纳兹·蒙塔泽里（Mahnaz Montazeri）：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理、实验研究、数据分析。雷扎·诺鲁兹贝吉（Reza Norouzbeigi）：撰写 – 审稿与编辑、实验指导、方法设计、概念构思。沙布娜姆·马达希（Shabnam Madahi）：撰写初稿、结果验证、方法设计、数据管理
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
资助情况
本手稿的撰写未获得任何资助。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
