石墨粉/PDMS协同改性的三聚氰胺海绵的制备及其在光热原油去除中的应用

《Environmental Research》：Preparation of graphite powder/PDMS synergistically modified melamine sponge and its application for photothermal crude oil removal

　　光热协同效应材料用于原油高效吸附与分离研究，采用简易浸渍-固化法制备石墨粉/聚二甲基硅氧烷改性多孔泡沫复合材料，具有140.7°超疏水性、78.3°C快速升温及95%以上分离效率，兼具化学稳定性和自清洁能力，为海洋原油污染治理提供低成本解决方案。

　　

Jian Wu|Yingying Wang|Jingjing He|Taipeng Jiang|Weijie Wei|Lingling Zeng|Sheng Chen|Zhan Du|Jin Li|Zhuwei Gao

海南大学化学与化学工程学院，海口570228，中华人民共和国

摘要

工业油性废水的大量排放和频繁发生的海洋石油泄漏对生态系统和公共健康构成了严重威胁。在这项研究中，通过一种简便的浸渍-固化方法制备了一种具有成本效益的石墨粉/聚二甲基硅氧烷改性的三聚氰胺海绵（MF-PDMS-GP），用于光热辅助原油去除。通过协同整合微/纳米渗透表面和低表面能涂层，该复合材料实现了疏水性（水接触角为140.7°）。该材料对油水混合物中的轻质油和重质油都表现出选择性的吸附能力。此外，它还具备优异的自清洁能力和化学稳定性。得益于石墨粉赋予的优异的光热性能，在模拟阳光（1 kW/m2）下，材料表面温度可在两分钟内达到78.3°C。本研究提供了一种简单、低成本且环保的方法，用于吸附和分离海洋中的高粘度石油泄漏。

引言

随着工业化的进步和海上石油活动的增加，石油泄漏事件频繁发生[1]。例如，墨西哥湾的石油泄漏和Sanger事故对海洋生态造成了巨大破坏[2][3]。此外，工业油性废水的随意排放导致有机污染物进入食物链，进而威胁人类健康[4]。传统的油水分离方法包括重力分离[5]、离心分离[6]和化学破乳[7]。然而，在面对复杂的油水混合物时，这些方法存在分离效率低、能耗高以及容易产生二次污染等问题[8]。因此，迫切需要开发高效且环保的新型油水分离材料。

三聚氰胺海绵（MF）因其三维网状结构、高孔隙率和机械强度而被视为油水分离的理想基底[9]。然而，原始MF的两亲性质限制了其选择性吸附能力[10]。现有的研究大多通过表面氟化改性策略来增强MF的疏水性。例如，Lee等人[11]通过直接氟化在MS骨架表面接枝氟功能基团，成功制备了氟化MS（F-MS），其吸油能力达到79-180 g/g。该材料将表面活性剂稳定的W/O乳液的耐水性提高了95%，同时保持了三维多孔结构的完整性。Wu等人[12]通过原位复合聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层与氟化共价有机框架（TFA-COF），制备了超疏水性PDMS@TFA-COF@S复合材料。该材料表现出优异的疏水性，水接触角为156.7°，表面具有微米和纳米级结构。经过30次循环后，其分离效率仍保持在96%。然而，氟化化合物难以降解，可能对生态系统造成长期危害。此外，由于原油的高粘度，仅靠疏水性无法有效去除原油。 鉴于原油粘度随温度升高而降低的特性，利用光热效应实现原位粘度降低已成为净化高粘度原油的有效策略[13][14][15]。氧化石墨烯（GO）是一种出色的光热材料，其卓越的光热转换能力能够降低原油粘度，从而促进油水分离[16][17][18]。Dou等人[19]开发了一种改性氧化石墨烯海绵（HGOMS），在1 kW/m2的太阳光照强度下可实现局部高温99.4°C。该材料在50°C时的原油吸附能力提高到103.2 g/g，10次循环后的吸附能力保留率仍超过80%。Zhang等人[16]通过π-π共轭效应构建了rGO/CNT/MS复合体系，提高了光吸收率至92%。在阳光照射下，原油的吸附速率是暗条件下的30倍。Gao等人[20]在非织造基底表面制备了光热响应的超疏水膜材料。在己烷/水体系中，该材料的分离效率达到99.1%，油相的渗透通量为14.64 KL/h·m2。在2 kW/m2的光照下，材料表现出显著的光热协同效应，使用蠕动泵在7分钟内吸收了4.8克黄油。然而，GO的高制备成本严重限制了其在大规模石油处理中的应用[21][22]。石墨粉结合了二维层状结构、优异的光热转换能力和表面粗糙化功能的优势，以及低成本。PDMS作为一种低表面能硅聚合物，可以通过其低表面能特性构建疏水涂层[23][24][25]。两者协同改性有望制备出高性能材料。 在这项研究中，采用简便的浸渍-固化方法，以GP和PDMS为基质，制备了高疏水性的MF-PDMS-GP复合材料。系统研究了MF-PDMS-GP的表面形态、化学结构、水接触角和光热性能。结果表明，MF-PDMS-GP能够分离和吸附多种油脂，并具有良好的光热性能和优异的化学稳定性及自清洁能力。这项工作的预期结果为石油污染管理提供了一种成本效益高的解决方案。

材料

高纯度石墨粉（GP）购自青岛联创利达石墨有限公司。Sylgard-184 PDMS弹性体试剂盒来自DowDuPont公司，三聚氰胺泡沫（MF）购自安义声学材料有限公司。无水乙醇（99.7%）由McLean公司提供，此外，己烷（97%）、环己烷（97%）、四氯化碳（99.5%）、二氯甲烷（97%）、四氢呋喃（99.5%）、石油醚（99%）和硅油（99%）由中国西龙公司提供。

形态与结构分析

研究材料的物理性质和微观形态对于评估其油水分离能力非常重要。材料制备完成后，研究团队系统地对其物理性质和微观形态进行了表征。通过扫描电子显微镜（SEM）观察了不同石墨粉负载量的MF-PDMS-GP的微观结构。如图2(a)所示，MF表现出典型的规则结构。

结论

总之，本研究成功利用浸渍-固化方法制备了一种基于石墨粉/聚二甲基硅氧烷改性的三聚氰胺泡沫（MF-PDMS-GP）的低成本、高效材料。该材料具有以下特点：

(1)
材料表现出优异的疏水性（水接触角为140.7°）。
(2)
材料还具有自清洁和化学稳定性，对四氯化碳（CCl?）油水混合物的分离效率超过95%

作者贡献声明

Zhuwei Gao：撰写初稿、验证、资金获取

利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号12202127）、海南省自然科学基金（项目编号ZDYF2025GXJS200和323MS009）、海南大学科研启动基金（项目编号KYQD(ZR)20042）的支持。