浙江工业大学胡艳军教授AFM：新型光热石墨烯海绵实现高效多组分油水乳液净化

摘要：随着全球工业化进程加速，含油废水排放量急剧增加，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统油水分离技术如离心、化学和生物法存在高能耗、二次污染和选择性差等问题。虽然超润湿材料因其低能耗和高选择性成为研究热点，但在处理复杂成分废水、高粘度油相乳液时仍面临重大挑战，尤

随着全球工业化进程加速，含油废水排放量急剧增加，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统油水分离技术如离心、化学和生物法存在高能耗、二次污染和选择性差等问题。虽然超润湿材料因其低能耗和高选择性成为研究热点，但在处理复杂成分废水、高粘度油相乳液时仍面临重大挑战，尤其是孔径结构调控不足和高粘度油相分离效率低的问题。

近日，浙江工业大学胡艳军教授课题组提出了一种弹性-光热石墨烯改性超润湿海绵（Graphene-PDMS sponge），通过“溶胀-收缩”浸渍策略制备，可实现孔径结构的应变响应调控和净化通量在15–450 L m⁻² h⁻¹范围内的灵活调节。该材料在多种污染物处理中表现出色，可实现99.9%的染料去除率、99.8%的乳液分离效率，整体净化效率超过98.6%。尤其值得一提的是，其光热效应能有效降低高粘度油相的黏度，提升其迁移能力，实现99.2%的分离效率。处理后的出水不仅达到中国农业灌溉水质标准，还表现出与纯水相当的生物相容性。相关论文以“Elastic-Photothermal Graphene-Modified Super-Wetting Sponge for Efficient Purification of Multicomponent Oil-Water Emulsions”为题，发表在Advanced Functional Materials 上，论文第一作者为Jiao Long。

图1. a) 具有出色综合水净化性能的石墨烯-PDMS海绵示意图及其制备过程。 b) 制备流程示意图。 c) 液体和油滴在海绵表面的润湿行为。 d) 空气中水滴和水下油滴的接触角。 e) 水中轻质和重质油的方向性吸附。 f) 染料净化、g) 十六烷乳液分离、h) 光热增强型高粘度油相乳液分离的演示。

研究团队通过扫描电镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像显示，石墨烯改性后的海绵表面形成褶皱状的微纳结构，使其由疏水性转变为超疏水性，同时内部孔径分布更均匀、密集。汞侵入孔隙度测试表明，改性后海绵的孔壁结构密度提高18%，孔隙率仅下降0.94，且孔径分布由宽变窄，集中在100–200 μm，有利于微米级分散相的高效截留。力学性能测试表明，该材料在循环压缩中表现出优异的疲劳抗性，能够在较低应力下实现高效孔径调控，为动态过滤过程奠定基础。

图2. a) 石墨烯-PDMS和未改性PDMS海绵的SEM和CLSM图像。 b) CLSM图像显示表面起伏范围。 c) 石墨烯负载对海绵多孔结构性能的影响，包括孔隙率、总孔面积、中值孔径和体积密度。 d) 未改性PDMS和石墨烯-PDMS海绵的孔径分布。 e) 不同循环后未改性PDMS和石墨烯-PDMS海绵的应力-应变曲线。

在染料净化方面，该海绵可通过压缩应变实现通量调节，在50%应变下对亚甲基蓝（MB）和刚果红（CR）的去除率超过99.8%和99.9%。其净化机制结合了石墨烯的吸附性能、π–π共轭效应以及物理截留作用，压缩过程中流速降低、扩散增强，污染物在吸附位点停留时间延长，从而显著提升净化效率。在37.5%应变下，系统在较高通量下仍保持优异净化效果，显示出良好的实际应用潜力。

图3. a) 0% 和 b) 50% 压缩应变下20 mg L⁻¹亚甲基蓝（MB）染料溶液的净化性能。 c) 不同压缩应变（0–50%）下滤液和原液的吸光度曲线。 d) 不同压缩应变下MB和CR的净化效率与通量。

在乳液-染料复合体系分离中，该海绵对多种油类乳液均表现出超过99.1%的分离效率。通过一步过滤处理含染料和十六烷的模型废水，出水紫外吸收曲线与蒸馏水重合，证明其能同步去除油和溶解性有机物。系统在处理多组分复杂乳液时整体净化效率超过98.6%，且经20次重复使用后性能未见明显下降。

图4. a) 十六烷乳液分离系统示意图，以及原液和滤液的光学显微镜图像。 b) 原液和滤液中的油滴尺寸分布。 c) 各种水包油乳液的分离效率和渗透通量。 d) 染料乳液、同浓度染料溶液和一步过滤滤液的对比。 e) MB和CR染料乳液、滤液和去离子水的吸光度曲线。 f) 通过COD和染料去除效率评估分离效率和染料去除性能。

面对高粘度油相（如棕榈油）分离难题，研究团队利用该海绵优异的光热转换性能，在1.5倍太阳光照射下，表面温度升至85°C，油相黏度下降88.6%，显著降低了界面传输阻力。在光照条件下，分离效率从82.9%提升至99.2，滤液浊度和COD值显著降低。机理分析表明，光热效应通过降低黏度、提高雷诺数和邦德数，促进油滴聚并和孔结构捕获，实现了高效动态破乳。

图5. a) 原液和 b) 开光与关光条件下滤液的光学显微镜图像。 c) 在非光热和光热条件下高粘度油相分离的机理。 d) 原液、滤液（开光与关光）和蒸馏水的吸光度曲线。 e) 在0–50%压缩应变下，开光与关光条件下滤液浊度对比；f) COD分离效率。

在概念验证实验中，处理后的厨房含油废水COD值满足中国农业灌溉标准，小麦水培实验显示其发芽率和幼苗生长与纯净水组相当，而原废水组则无法发芽且出现根腐病。在工业染料废水处理中，使用活性黑5模拟废水，经海绵处理后的出水在斑马鱼孵化实验中孵化率超过94%，幼虫发育正常，而未处理组则出现发育延迟和表皮着色异常。

图6. a) 光照下净化系统示意图。 b) 使用净化水、滤液和原液进行水培的小麦种子发芽率和芽苗高度。 c) 第1–3天发芽率对比。 d) 第5–10天芽苗高度对比。 e) 活性黑5染料与原液和滤液的对比。 f) 染色溶液与滤液中鱼苗的孵化率和幼体长度。 g) 孵化期间鱼卵状态图像。 h) 平游期在染色溶液与滤液中鱼苗状态的图像。

该项研究通过将弹性基底与光热调控相结合，构建了一种多维动态净化策略，成功实现了对复杂乳化废水的高效适应性处理。该海绵材料兼具染料吸附、多组分乳液分离和光热破乳等多功能集成能力，在工业和家庭废水处理中显示出广阔的应用前景。未来，这一技术有望为水资源循环利用和生态安全提供关键技术支撑，推动水污染治理与资源回收一体化发展。