一种兼具分级多孔结构与非对称润湿性的木质气凝胶，用于高效稳健的太阳能驱动黏稠原油回收

《Journal of Hazardous Materials》：A Wood-based Aerogel with Hierarchical Porous and Asymmetric Wettability for Efficient and Robust Solar-Driven Viscous Crude Oil Recovery

　　

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  通过简便的真空浸渍和表面涂覆策略制备了一种具有分级多孔结构和不对称润湿性的木质气凝胶吸附剂
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  底部亲油的分级多孔框架能够实现高粘度原油的快速吸附。
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  顶部两亲疏水涂层保护光热活性位点。
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  这种功能分区设计解决了传统光热吸附剂所面临的吸附缓慢和表面污损问题。

引言

海上石油开采和运输的扩展导致了频繁的海洋溢油事故，不仅对海洋生态系统造成长期损害，还对人类健康和饮用水安全构成了重大威胁[1], [2], [3]。为应对这一全球性环境挑战，人们提出了一系列针对溢油处理的方法，包括机械收油[4]、原位燃烧[5]、化学分散[6]和生物修复[7]。遗憾的是，这些传统方法通常存在诸多局限性，尤其是分离能力不足、操作流程复杂、可能造成二次污染以及资源消耗巨大[8]。近年来，各种三维（3D）多孔材料被广泛制备并用于原油泄漏清除，例如海绵[9], [10], [11], [12]、纤维泡沫[13], [14]和气凝胶[15], [16]等。尽管海绵和泡沫具有成本低廉和制备简便的优点，但它们大多由不可降解的有机聚合物组成，不当处置这些材料可能造成二次生态污染。更重要的是，这些材料的内部孔隙呈随机分布，增加了高粘度原油的质量传递阻力，严重限制了油气吸附和回收效率[17], [18]。为提高高粘度原油的渗透性能，研究人员开发了多种孔隙结构调控策略，如有向冷冻干燥[17]、模板辅助法[19], [20]和3D打印[21]。这些方法构建出垂直排列的孔道以减少传质阻力并优化流体传输性能。有向冷冻干燥能够在可生物降解的纤维素气凝胶中形成垂直排列的孔道，但该工艺需要长时间的低温处理，带来较高的能耗，且容易损害材料的压缩回弹性[22]。模板辅助法和3D打印则受限于工艺复杂和成本高昂，难以实现规模化应用。相比之下，天然木材无需进行孔隙重构，在脱木质素处理后仍能保持其固有的垂直排列孔道和优异的机械强度，使其成为高性能吸附剂的理想支架材料[23], [24]。

然而，高粘度原油在室温下流动性极低，阻碍了其快速渗入吸附剂内部孔道[9]。研究表明，升高温度可以显著降低原油粘度并增强其流动性[11]。基于此，热辅助吸附剂成为研究热点[12]。在众多热源中，太阳能凭借其清洁可再生的优势被广泛用于溢油清理[25]。光热响应型吸附剂的构建通常涉及将光热转换材料（如氧化石墨烯（GO）[23], [26], [27]、MXene[28], [29], [30]、聚吡咯（PPy）[14], [31]、碳纳米管（CNT）[11], [32], [33]等）引入多孔基质中，从而加热周围原油以降低其粘度。尽管如此，传统光热吸附剂在高粘度原油回收方面仍存在局限。在多次吸附-脱附循环中，吸附的原油难以通过简单的机械挤压完全脱附。沉积在吸附剂表面的原油覆盖了光热活性位点并形成污染屏障。由于光热转换主要发生在材料表面，原油的粘度降低依赖于热量从顶层逐步向内传递的过程。表面污染屏障阻碍了太阳光吸收和界面热传递，削弱了原位热降粘效果，进而导致吸附性能和循环稳定性持续下降。因此，制备具有长使用寿命和高吸油能力的吸附剂显得尤为重要。具有不对称润湿性的吸油材料提供了一种创新策略，以克服传统单一功能材料的局限性[34], [35], [36]。通过将两种不同甚至相反的功能集成到同一系统的不同层中，这些材料实现了相互制约性质的空间分隔和功能协同[37], [38], [39], [40], [41]。这种功能分区结构在构建粘性原油的光热辅助吸附剂方面展现出巨大潜力，尤其是两亲疏水光热层与三维多孔吸附剂的结合用于溢油回收[42], [43]。

本文通过在改性木质气凝胶复合体系中引入不对称构型，制备了一种新型光热吸附剂（J/MCCA@CDW），以实现高粘度原油的高效可持续回收。该材料以亲油木质气凝胶复合体为基底，其表面修饰有两亲疏水光热层，形成具有不对称润湿性的功能分区结构（图1）。底层通过真空浸渗将气凝胶前驱体（MCCA）渗入羧基化脱木质素木材（CDW）的孔隙中，随后冷冻干燥获得具有多级分级孔隙结构的复合支撑体。CDW框架提供坚固的机械支撑和有向质量传输通道，在反复变形循环中保持结构完整性。嵌入的MCCA气凝胶优化了基体的孔隙结构并增强了毛细吸附作用。同时，MCCA赋予基底良好的亲油性和热导率，从而提高吸附速率和传质效率。对于顶层，采用简单的刷涂方法沉积由碳纳米管（CNTs）、二氧化硅（SiO₂）和全氟烷基硅烷（FAS）组成的混合涂层。该涂层能够实现高效的光收集和快速的光热转换，同时构建低粘附界面以抑制原油在材料表面的积聚，从而在长期内保持光热吸收性能。在此设计中，底层亲油框架促进原油的快速吸附和储存，而顶层两亲疏水光热层则专注于光热转换和抗污保护。通过这种多级分级孔隙和功能分区设计，所制备的J/MCCA@CDW具有高光热效率、快速吸油能力和优异的光热循环稳定性。

章节摘要

材料与试剂

轻木（20 × 20 × 10 mm³，长 × 宽 × 高）购自中国淘宝BALSA SPACE店铺。亚氯酸钠（NaClO₂，≥80%）、α-纤维素（25 μm）、二氧化硅（SiO₂，15?nm）、1,2,3,4-丁四羧酸（BTCA，99%）、羧甲基纤维素（CMC，粘度：98%）和次磷酸钠（SHP，98%）由麦克林生化科技有限公司（中国）提供。柠檬酸（CA，99.5%）由龙石化学试剂（中国）供应。碳纳米管（CNT；纯度：95%）购自

形貌与结构表征

采用扫描电子显微镜（SEM）对吸附剂表面形貌进行表征。如图S3a所示，天然木材（NW）沿生长方向呈现垂直排列的导管结构和蜂窝状多孔横截面[22]。脱木质素处理后所得的CDW保留了完整的多孔骨架，细胞壁明显变薄且孔径显著增大（图S3b和图2a）。如图2b所示，经MCCA气凝胶改性后

结论

总之，本研究成功制备了一种具有多级分级孔隙和不对称润湿性的木质气凝胶（J/MCCA@CDW），用于高效太阳能辅助回收高粘度原油。通过合理的功能分区设计，上层两亲疏水光热层有效抑制了原油粘附并保持了长期的光热吸附和转换效果。下层亲油多孔框架具有多级孔隙结构，能够

意义声明

海上石油开采和运输的扩展导致了频繁的溢油事故，破坏了海洋生态系统并威胁人类健康。高粘度原油流动性差，使传统清理方法效率低下。本文通过简便的真空浸渍和涂覆方法制备了一种具有分级孔隙和不对称润湿性的生物质基光热木质气凝胶。其顶部两亲疏水层保护光热位点免受油污侵蚀，从而维持稳定的

CRediT作者贡献声明

刘建勤：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，调查，数据整理，概念构思。陈大凡：方法学，调查。包木太：方法学，调查。李明英：可视化，资源，经费获取，形式化分析。刘雨涵：方法学，调查。李鹏举：方法学，调查。徐万荣：方法学，调查。李冰峰：方法学，调查。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由国家自然科学基金（22172149）资助。

Jianqin Liu|Dafan Chen|Yuhan Liu|Pengju Li|Wanrong Xu|Bingfeng Li|Mutai Bao|Yiming Li