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  在過去的100年里，隨著經(jīng)濟和人口的快速發(fā)展，石油開采、石油提煉和石油化工等各行各業(yè)都產(chǎn)生了大量含油廢水。此外，船舶漏油也不可避免地導(dǎo)致淡水資源中出現(xiàn)油脂。廢水不僅造成生態(tài)環(huán)境的破壞，而且由于有毒成分能夠蒸發(fā)到空氣中，通過皮膚和呼吸被人體吸收，也會影響人們的身體健康。同時，在未經(jīng)處理的污水中存在SARS-CoV-2病毒，有害水的流動為病毒的傳播提供了途徑。若含油廢水直接排放，則會加劇自然界水的濁度，對生產(chǎn)生活環(huán)境都會造成惡劣的影響。因此，開發(fā)用于處理有害廢水的油水分離材料受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，并成為環(huán)境保護和減少經(jīng)濟損失的熱點。

  傳統(tǒng)的油水分離方法主要有化學(xué)氣相沉積法、物理吸附法和旋轉(zhuǎn)離心法、生物降解法等。然而，這些傳統(tǒng)分離方法受到天氣條件、分離效率低、需要外部驅(qū)動、會造成二次污染等條件的極大限制。因此，研究人員開始嘗試探索更高效、更經(jīng)濟的油水分離技術(shù)和材料諸如氣凝膠。納米纖維基氣凝膠是一類連續(xù)的三維多孔網(wǎng)絡(luò)狀固體材料，具有超低密度、超高孔隙率及比表面積、優(yōu)異的傳質(zhì)性能和超低的熱導(dǎo)率。在氣凝膠中引入納米纖維能夠增強其柔韌性及機械穩(wěn)定性，在實際應(yīng)用中具有更好的分離效果。

 圖1 用于油水分離的納米纖維氣凝膠分類

1.油水分離理論基礎(chǔ)

2.親水疏油及親油疏水性納米纖維基氣凝膠

  受生物膜的啟發(fā)，基于高表面能和表面粗糙度的親水疏油分離材料已成為研究熱點，有機高分子和復(fù)合納米纖維兩類氣凝膠已經(jīng)用于有誰分離研究。在油水分離過程中，這些材料更傾向于在水/膜界面上形成水合層。水合層具有一定的防污和高效分離油水混合物的能力，可防止油滲入和沉積在膜表面。此外，還可以通過構(gòu)建由 1 D 納米纖維組成的 3 D 結(jié)構(gòu)氣凝膠來調(diào)節(jié)聚合物的親水性。表 1 總結(jié)了本文主要涉及的親水性和疏油性納米纖維氣凝膠的分離效率、油接觸角和吸收特性。

表2

圖3（a）BC-BTCA-MTMS的制備工藝及殘留BTCA催化酯化反應(yīng)和CVD的機理；（b）氣凝膠3-Cl從水中分離油(十二烷)的過程；（c）CS/NFC氣凝膠油水分離機理示意圖：△P<0時，液體(水或油)會在空氣中滲透氣凝膠；△P>0時，油不能滲入經(jīng)水潤濕的氣凝膠；（d）BC氣凝膠對不同有機油脂/溶劑的吸附能力，以及BCNS（綠色）和BCOXNS（藍色）氣凝膠對乙醇的吸收/干燥循環(huán)。

3.疏水和親油納米纖維基氣凝膠

圖6（a）CCAs 1.0-T800在不同溶劑上的吸附性能；（b）丁烷火焰作用下的正面?zhèn)尾噬珶嵯�；�?/span>c）SC-PLA50氣凝膠對不同油脂和有機溶劑的吸附性能；（d）H-CCG-9/1-3壓縮釋放過程截面(XY平面)和雙向結(jié)構(gòu)壓縮釋放過程模型的SEM圖像；（e）定向凍結(jié)法原理圖;(f) rGO和MCNS在MCNS/NGA復(fù)合材料中的自組裝機理示意圖；（f）木質(zhì)素基多尺度細胞氣凝膠合成示意圖；（g）有或無模擬太陽輻射穿透PSG-2原油（~170 mg）過程。

圖7（a）FH/CNTs-x的WCA和比表面積；（b）Zif-8/CNTs/CCBs的制備示意圖；（c）CuS@SF-PEG/PDMS氣凝膠的形成過程示意圖及其在土布和工業(yè)材料中的潛在應(yīng)用；（d）改性HBCSM氣凝膠制備示意圖；（e）多功能油水分離用木質(zhì)氣凝膠材料的制備及原理圖。

4.特殊浸潤性納米纖維基氣凝膠

圖9（a）CCA-1000和CA單根光纖的水和己烷接觸角光學(xué)圖像；（b）己烷-水混合物分離過程的照片以及分別在無二氧化碳和有二氧化碳情況下油水通量的變化；（c）發(fā)動機油在GA和PGAs上的吸附量和接觸角；（d）PNI-Si@10CCNT/CA在不同溫度下的可切換潤濕性示意圖；（e）J-CGPA4（厚度5mm）在各種無表面活性劑油水乳液（sfe）和表面活性劑穩(wěn)定油水乳液（sse）上的分離通量。

5.關(guān)于納米纖維基氣凝膠的其他性能

  超疏水性和吸油性是前面提到的用于油水分離的改性納米纖維氣凝膠的關(guān)鍵特性。此外，納米纖維氣凝膠的其他有用特性，如機械特性、耐久性、防火特性和環(huán)境適應(yīng)性，也有助于它們在油水分離中的應(yīng)用。這些性能使納米纖維氣凝膠可應(yīng)用于各種極端氣候、這將進一步拓展納米纖維氣凝膠的應(yīng)用范圍。

6.結(jié)論與展望

  （1）制備納米纖維基氣凝膠的原材料如合成高分子納米纖維、碳納米管和碳納米纖維氣凝膠等，其制備成本高，工藝復(fù)雜、極大地限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。未來可以繼續(xù)探索節(jié)約成本的方法（如利用各種天然廢料、廢纖維、再生聚合物等），并進一步提高其在復(fù)雜水體極端條件下的穩(wěn)定性。

  （2）親油疏水型納米纖維氣凝膠具有顯著的油水分離效果，但大部分缺乏長期耐久性和抗污染能力。而通常采用硅氧烷對納米纖維基氣凝膠進行改性，以獲得疏水性和親油性，但該方法存在固有缺陷、能耗高、改性層不均勻、對環(huán)境危害大。因此，需要探索綠色、高效、低能耗的新興方法來獲得疏水性氣凝膠。

  （3）將納米纖維基氣凝膠與其他材料結(jié)合可獲得前景廣闊的先進復(fù)合材料，這種策略可提高氣凝膠材料的其他性能。然而，有關(guān)納米纖維氣凝膠用于油水分離的電學(xué)和熱學(xué)性能（焦耳熱或光熱）的研究較少，材料與性能之間的關(guān)系也沒有很好地建立起來。因此，必須建立納米纖維氣凝膠材料與性能之間的關(guān)系，利用材料的初始性能來構(gòu)建新的功能性納米纖維氣凝膠，不斷拓展納米纖維氣凝膠的應(yīng)用深度。

  （4）納米纖維基氣凝膠的再生方法多為物理擠壓和燃燒，易產(chǎn)生殘渣和有害氣體。一些機械強度低、回彈力不足的氣凝膠甚至?xí)䦟?dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌，降低吸油能力。雖然燃燒可以完全去除納米纖維氣凝膠中的油，但往往會造成環(huán)境污染和二次安全風(fēng)險，而且無法回收油類再利用。因此，需要開發(fā)綠色環(huán)保、經(jīng)濟適用的納米纖維基氣凝膠 。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S001623612301952X