Synergistic dual-modification of polyurethane sponge with MIL-53(Al) and dimethylsilicone oil for efficient oil–water separation of oily sludge thermal washing wastewater
本研究提出了一种经 MIL-53(Al) 和二甲基硅油协同双改性的聚氨酯海绵（M/Si-6@PU），该海绵具有超疏水性、快速吸油能力以及卓越的循环稳定性，可用于高效分离含油污泥的热洗废水。
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油与水是天生的敌人。当它们混合在一起时——这在工业事故发生后或原油加工过程中经常发生——会形成一种顽固且杂乱的乳化液，极难分离。对于处理油性污泥（一种在石油开采和精炼过程中产生的危险废物）的行业来说，这是一个持久的问题。为了清洗这种污泥，公司通常使用热量和水来洗出其中的油，但这个过程会产生大量的废水，其中充满了微小的悬浮油滴和化学污染物。传统的清洁方法，如焚烧或使用烈性化学品，要么造成浪费，要么会产生新的环境危害。长期以来，最理想的解决方案是使用一种类似于海绵的材料，但这种海绵必须足够“聪明”，能够在让水直接穿过的同时，将油吸进去。然而，普通的绵海绵并不具备选择性；它们既吸水也吸油，或者在使用一次后就会堵塞并失效。
浙江科技大学的研究人员开发了一种新型海绵，通过将两种不同的材料结合成一个高效的单一工具，解决了这些问题。他们以一种标准的聚氨酯泡沫（即家用海绵中常见的柔软多孔材料）为基础，对其进行了双层改造。首先，他们用金属有机框架（一种由铝和有机分子组成的晶体材料，能创造出极其广阔的微观隧道网络）涂覆了海绵。这一层增加了巨大的表面积和粗糙度，为油分子提供了无数可以被捕捉的缝隙和角落。其次，他们用二甲基硅油处理了整个结构，这种物质以其排斥水、吸引油的能力而闻名。这种结合创造了一个极度疏水的表面，使水滴凝聚并滚落，而油则会被瞬间吸入。
研究团队将这种名为 M/Si-6@PU 的新型复合海绵用于测试实际的油性污泥清洗废水。结果令人瞩目。当一滴油接触到改性海绵表面时，它在短短 2.6 秒内就消失在材料中，这一速度几乎比未经改性的海绵吸收同滴油的速度快了一倍。该海绵证明了其相对于自身重量能够承载极大量油的能力：每 1 克海绵可吸收高达 43 克甲苯，并且在处理泵油、柴油和植物油等其他常见油类时表现同样出色。即使面对实际工业废水中复杂的脏污情况，该海绵仍能实现每克材料吸收 31 克油。
除了快速抓取油的能力外，这种海绵还展现出了卓越的耐用性。在重复过滤废水的测试中，该材料在前八个循环中保持了 99% 以上的分离效率。即使在使用 30 个循环后，它仍能去除 93% 以上的油，显示出它不易磨损或失去效力。研究人员还在极端条件下测试了它的韧性，将其浸泡在强酸性和强碱性液体中一小时。虽然在此时间之后海绵开始出现润湿迹象，但它保持疏水性的时间足以应对严苛的工业环境，而其他材料在这些环境下可能会立即失效。
这种成功的机制依赖于两种涂层所创造的独特结构。金属有机框架提供了一种粗糙的分级纹理，捕捉了微小的空气囊，从而形成了一个水难以跨越的屏障。与此同时，硅油层降低了海绵的表面能，使其天然地吸引油并排斥水。当废水接触海绵时，微观结构会物理性地破碎稳定的乳化液，使油通过毛细作用力被拉入海绵深处的孔隙中。同时，涂层的化学特性确保了油能牢固地粘附在海绵上，而水则流过。这种双重作用使得该材料不仅能分离自由漂浮的油，还能捕获通常会穿透其他过滤器的溶解有机污染物和乳化液滴。
这项研究证实，这种方法是处理复杂工业废物的可行路径。通过使用简单的浸渍工艺来应用这两种材料，研究人员创造了一种不需要复杂机械或昂贵化学品的规模化解决方案。该海绵处理真实工业废水、抵抗化学腐蚀以及在多次使用后保持高性能的能力表明，它可能是清理溢油和处理工业径流的实用工具。这项工作强调了将刚性多孔结构与柔性疏水涂层相结合，可以创造出一种比其组成部分更强大的材料，为应对环境清理中最持久的挑战之一提供了新途径。
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