Synergistic dual-modification of polyurethane sponge with MIL-53(Al) and dimethylsilicone oil for efficient oil–water separation of oily sludge thermal washing wastewater

油と水は天敵同士です。これらが混ざり合うと、産業事故の直後や原油の加工過程などでよく見られるように、分離が非常に困難で、粘り強く、不潔なエマルション（乳濁液）を形成します。これは、石油の抽出や精製によって生じる有害廃棄物である油状のスラッジ（汚泥）を扱う産業にとって、根深い問題となっています。このスラッジを洗浄するために、企業は熱と水を用いて油を洗い出すことがよくありますが、そのプロセスは、微細な浮遊油滴や化学汚染物質を含んだ膨大な量の廃水を発生させます。燃焼させたり、強力な化学薬品を使用したりといった従来の洗浄方法は、資源の無駄であるか、あるいは新たな環境負荷を生み出すかのどちらかでした。最も有望な解決策は、長らく「スポンジ」のような素材を用いることでしたが、それは油を飲み込みつつ、水はそのまま通り抜けさせるほど賢いものでなければなりませんでした。しかし、普通のスポンジは選択性がなく、両方を吸い込んでしまうか、一度の使用で目詰まりして使い物にならなくなってしまいます。

浙江理工大学の研究者たちは、二つの異なる素材を一つの極めて効率的なツールへと組み合わせることで、これらの問題を解決する新しいタイプのスポージャを開発しました。彼らは、家庭用スポンジに見られるような柔らかく多孔質な素材である標準的なポリウレタンフォームをベースにし、それに二重のコーティングを施しました。まず、スポンジに金属有機構造体（MOF）をコーティングしました。これはアルミニウムと有機分子からなる結晶性材料で、微細なトンネルの広大なネットワークを作り出します。この層は膨大な表面積と粗さを加え、油分子が捕らえられる無数の隙間や凹凸を提供します。次に、構造全体をジメチルシリコーンオイルで処理しました。これは水を弾き、油を引き寄せる性質で知られる物質です。この組み合わせにより、水が玉になって転がり落ちるほど強力に水を弾き、一方で油は瞬時に吸い込まれる表面が作り出されました。

研究チームは、この「M/Si-6@PU」と名付けられた新しい複合スポンジを、油状スラッジの洗浄から発生した実際の廃水を用いてテストしました。その結果は驚くべきものでした。油の滴が修飾されたスポンジの表面に触れると、わずか2.6秒で素材の中に消え去りました。これは、未修飾のスポンジが同じ滴を吸収するのにかかった時間のほぼ半分にあたります。このスポンジは、自重に対して極めて大量の油を保持できる能力を示しました。例えば、1グラムのスポンジに対して最大43グラムのトルエンを吸収することができ、ポンプ油やディーゼル、植物油といった他の一般的な油に対しても同様に優れた性能を発揮しました。複雑で汚れた実際の産業廃水に直面した場合でも、このスポンジは1グラムあたり31グラムの油を保持することができました。

油を素早く掴む能力に加え、このスポンジは驚異的な耐久性を示しました。廃水を繰り返しろ過するテストにおいて、最初の8サイクル目まで99パーセント以上の分離効率を維持しました。30サイクルの使用後でも、依然として93パーセント以上の油を除去しており、容易に摩耗したり効果を失ったりしないことが示されました。また、研究チームは極限状態における耐性についてもテストを行い、高酸性および高アルカリ性の液体に1時間浸漬させました。その時間経過後にはスポンジに濡れ始める兆候が見られましたが、他の素材が即座にダメになってしまうような過酷な産業環境においても、実用的なレベルの疎水性を維持しました。

この成功の背後にあるメカニズムは、二つのコーティングによって作り出されたユニークな構造にあります。金属有機構造体は、水が容易に通過できない障壁となる空気の小さなポケットを閉じ込める、粗い階層的なテクスチャを提供します。一方、シリコーンオイルの層はスポンジの表面エネルギーを低下させ、自然に油を引き寄せ、水を弾くようにします。廃水がスポンジに触れると、鋭い微細構造が安定したエマルションを物理的に分解し、毛細管力によって油がスポンジの細孔の奥深くへと引き込まれます。同時に、コーティングの化学的性質によって、油はスポンジにしっかりと付着し、水は通り抜けるようになります。この二重の作用により、この素材は自由浮遊している油だけでなく、通常のフィルターを通り抜けてしまうような溶解した有機汚染物質や乳化した液滴をも捕らえることができるのです。

本研究は、このアプローチが困難な産業廃棄物を処理するための実行可能な道であることを裏付けています。二つの材料を浸漬させるという単純なプロセスを用いることで、研究者たちは複雑な機械や高価な化学薬品を必要としない、拡張可能なソリューションを作り出しました。実際の産業廃水を処理し、化学的腐食に耐え、長期間にわたって高い性能を維持できるこのスポンジの能力は、油流出の清掃や産業排水の処理において実用的なツールとなり得ることを示唆しています。この研究は、硬い多孔質構造と柔軟な撥水コーティングを組み合わせることで、単なる部品の総和をはるかに上回る効果的な素材を生み出せることを強調しており、環境浄化における最も根深い課題の一つに対する新しい解決策を提示しています。