农业废弃物小麦秸秆衍生自修复多功能超疏水薄膜的油水修复与减阻行为研究

《Journal of Environmental Management》：Biomass derived self-regenerative multifunctional superhydrophobic film for oil-water remediation and drag-reduction behaviour

　　本研究创新性地利用废弃小麦秸秆（WS）开发出非氟化、自修复型超疏水薄膜，通过喷雾铸造技术实现其大规模制备。该薄膜具有卓越的超疏水性（>150°）、超低水粘附力（～10 μN）及自再生能力，在极端环境下仍保持稳定性，同时具备水下超疏水性、90%减阻特性和选择性吸油能力，为海洋环境自主油回收系统提供节能环保解决方案，助力农业废弃物高值化利用。

　　

Section snippets

Materials

小麦秸秆（WS）废弃物取自印度旁遮普邦卢迪亚纳的农田，直接用于原料和二氧化硅提取。采用盐酸（HCl）进行水解反应，聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基质材料，异丙醇（IPA）作为溶剂用于溶解PDMS并确保颗粒均匀分散。

Preparation of silica nanoparticles

从小麦秸秆（WS）合成二氧化硅纳米颗粒的路线如图1所示。首先将WS通过球磨粉碎成细颗粒，随后经酸水解和高温煅烧处理，最终获得高纯度的纳米二氧化硅（SP），其粒径分布集中在200–500纳米，显著降低了颗粒团聚现象。

Characterisation

场发射扫描电镜（FESEM）图像（图2a–f）展示了原始小麦秸秆（WS）、球磨小麦秸秆颗粒（WSP）和合成二氧化硅颗粒（SP）的形态特征。WSP呈现高度团聚的半球形颗粒，尺寸介于400纳米至2微米；而SP分布更均匀，粒径范围窄（200–500纳米），团聚现象明显减少。高分辨率透射电镜图像（图2g）进一步证实了SP的纳米级结晶结构和表面粗糙度，这是实现超疏水性的关键特征。

Drag reduction behavior

通过自制微型风洞（S4节）测量水滴在薄膜表面的摩擦行为。将S3和W1两种薄膜分别固定于测试段，并放置不同体积（10–100 μl）的水滴，记录使水滴移动所需的最小气流速度。数据显示，在气流速度达12 m/s时，S3和W1薄膜的拖曳力分别低至9.8 μN和11.2 μN，显著低于纯PDMS涂层（21.5 μN）。这一结果证明复合薄膜具有优异的减阻性能（drag reduction），尤其适用于水下器械表面涂层以降低流体阻力。

Conclusion

本研究通过对比分析证实，利用小麦秸秆生物废弃物可成功制备多功能超疏水复合薄膜。其中，直接使用的秸秆颗粒（WSP）与衍生二氧化硅颗粒（SP）均表现出良好的填充效果。该工作表明，农业废弃物无需复杂预处理即可替代精制原料，简化工艺并减少环境负荷。值得注意的是，WSP基薄膜在减阻和油水分离性能上与SP基薄膜相当，甚至在某些条件下更优，这为低成本、大规模生产功能性超疏水材料提供了新策略。