《Journal of Water Process Engineering》：Study on the photothermal properties of hand-fermented white wheat buns based on biomass wheat and application in high-viscosity oil recovery
编辑推荐：
油水分离材料开发；生物基碳材料；PDMS改性；光热转化效应；高粘度原油回收
曾玲玲|魏伟杰|何晶晶|王颖颖|姜泰鹏|万伍波|王丽娟|陈胜|高珠伟
海南大学化学与化学工程学院，海口，570228，中国
摘要
在复杂的海洋环境中，油污废水和石油泄漏事件频繁发生，因此迫切需要开发一种具有良好吸油效果的新型吸油材料。本研究提出了一种利用手工发酵的小麦白面包进行油水分离的新方法。通过将白面包碳化并添加PDMS进行改性，制备出了多孔碳材料CWB@PDMS。实验结果表明，该材料具有优异的疏水性（接触角WCA高达147.13°）和良好的吸油能力（3.5–10.3克/克），并且可以多次重复使用。经过10次循环后，其油水分离效率仍可达到99.12%。CWB@PDMS还具有良好的光热转换性能，在1.0千瓦/平方米的控制光功率密度下，材料表面温度可在220秒内升高至67.5摄氏度，从而将热量传递给油液，降低其粘度。这为高粘度油的回收提供了一种解决方案。
引言
在解决环境污染[1]和能源回收[2]的双重需求下，油水分离技术已成为环境保护和化学工业领域的研究热点[3]。目前用于油水分离的材料有很多种，如铜网[4]、[5]、海绵[6]、[7]、气凝胶[8]、[9]等。然而，这些材料存在制备成本高和重复使用性差的问题，限制了其在油水分离中的应用。因此，研究一种制备成本低且稳定性更好的油水分离吸附剂具有重要意义。
许多与油水分离相关的材料已被开发出来，专家们也进行了大量相关研究。张等人[11]通过静电纺丝方法研究了模板膜以实现油水分离；蔡等人[12]在铜泡沫表面制备了CuS，以增加材料的粗糙度，从而降低表面能；张等人[13]使用单宁酸修饰的ZIF-8纳米粒子制备了具有超疏水性的不锈钢网，提高了油水分离效率；庞等人[14]基于海泡材料研制了超疏水性聚氨酯海绵，实现了高效的油水分离。
疏水性材料对水的亲和力非常低，能有效防止水在其表面附着和扩散。表面的微观结构和化学成分决定了水的接触角。这类材料广泛应用于自清洁[15]、防腐[16]、防冰[17]、生物医学等领域。通常通过在微米/纳米级别构建粗糙表面结构来赋予材料疏水性[18]，方法包括物理蚀刻[19]、激光加工[20]、模板法[21]、化学蚀刻[22]和电化学沉积[23]。增加表面粗糙度可以提高材料的疏水性，使其适用于油吸附应用。
生物质材料在环境保护和生物资源再生方面具有巨大潜力。生物质碳材料可通过碳化过程获得。这些材料[24]、[25]、[26]通常来源于生物体，具有优异的生物降解性、低成本和可再生性，在油水分离中得到广泛应用。王等人[27]利用茶渣制成的碳线圈作为模板，制备了低成本、超轻量、有弹性和高回收率的生物碳螺旋气凝胶，可用于油水分离；傅等人[28]研究了将生物质衍生的壳聚糖材料应用于油水分离的方法；巴杰派等人[29]从水葫芦（WH）生物质中提取纤维素并转化为疏水性纤维素；张等人[30]以牛骨生物质为原料，经过煅烧和研磨后制备灰分颗粒，再通过真空过滤和浸渍法制备了牛灰/棉布纤维素膜。虽然已有研究利用生物质材料作为油水分离吸附剂，但在实现低成本原料采购、环保和可回收性方面仍存在不足。
日常生活中的普通白面包经过高温碳化后可转化为生物质碳材料。碳化后的面包具有更高的粗糙度和更大的比表面积，丰富的多孔结构和良好的疏水性，使其在油水分离中表现出优异的效果[31]。单独使用一个碳化面包进行油水分离效果不佳，其吸油能力不足，限制了其广泛应用。因此，有必要对碳化面包进行改性，以提高其对废油的吸附性能。然而，关于改性碳化面包用于油水分离的研究和相关报道较少，利用改性碳化面包进行高效油水分离的研究已成为当前的研究热点。
氟化试剂可以降低材料的表面能，从而实现极高的接触角并赋予材料超疏水性；然而，它们的生物累积性和潜在毒性引起了广泛关注。近年来，无氟超疏水材料的发展成为研究重点；例如，尽管PDMS的表面能高于氟化化合物，但它相对环保且对环境的污染较小。为了赋予吸附剂超疏水性，通过接枝PDMS（聚二甲基硅氧烷）降低了碳化面包的表面能。经过改性的碳化面包复合材料CWB@PDMS对各种油和脂肪具有较高的吸附能力，能有效分离油水乳液。在阳光照射下，这种新型碳化面包还具有更好的光热性能，能显著降低高粘度油的粘度，提高其对高粘度油的吸附效果。此外，CWB@PDMS还具有良好的机械稳定性和抗摩擦性能，在酸碱溶液中具有良好的化学稳定性，且可重复使用性强，为制备油水分离吸附剂提供了新的绿色经济选择。
尽管已有许多基于生物质的吸附剂用于油水分离，但其制备过程复杂，所使用的生物质大多仅作为复合材料的添加剂使用，如表1所示。相比之下，本研究中使用的发酵白面包来源于小麦生物质，发酵过程自然形成了疏松的多孔结构；经过碳化后，可以直接获得三维互连的孔隙框架，无需额外形成孔隙，简化了制备过程。此外，碳化材料本身具有优异的光热转换性能。结合PDMS赋予的疏水性，实现了快速加热和粘度降低，以及高效吸附高粘度原油的能力，验证了使用“发酵白面包”作为碳前体进行油回收的可行性。这一策略不仅扩展了生物质衍生碳材料的功能范围，还为新型油水分离吸附剂的开发提供了新的思路。
材料与化学品
己烷、环己烷、二氯甲烷、CCl4由西安龙科技有限公司生产；原油来自北京中国特种设备检验研究院；黄油通过淘宝购买Anchor品牌产品；PDMS（Sylgard 184）来自道康宁公司；苏丹红III和亚甲蓝由西安龙科技有限公司生产；AB胶水来自Deli旗舰店；实验中使用的所有水均为去离子水。
WB、CWB、CWB@PDMS的形态与组成
材料的微观形态对于分析其性能至关重要。为了进一步了解三种材料的形态特征，对其进行了扫描电子显微镜（SEM）测试。如图2(a1–a3)所示，原始白面包WB的表面光滑，具有明显的纹理和孔隙。原始WB的三维多孔结构较少，吸收油和油脂的空间较小。
结论
本研究将生物质小麦制成的手工发酵白面包进行碳化并修饰PDMS，得到了一种新型多孔材料CWB@PDMS，用于油水分离。该多孔碳材料表现出优异的疏水性和亲油性，以及对各种油和脂肪的良好吸附能力。综合这些特性，CWB@PDMS成为高效油水分离的理想候选材料。其主要特点如下：
(1)
作者贡献声明
曾玲玲：撰写——初稿。
魏伟杰：撰写——初稿。
撰写——初稿。
王颖颖：撰写——初稿。
姜泰鹏：撰写——初稿。
万伍波：撰写——初稿。
王丽娟：撰写——初稿。
陈胜：撰写——初稿。
高珠伟：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、研究、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
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：126QN0634）、海南省科技专项资金（项目编号：ZDYF2025GXJS200）、国家自然科学基金（项目编号：22068012）、崖州湾创新研究院重大科技项目（项目编号：2022CXYZD003）、三亚市重大科技项目（项目编号：ZDKJ-SY-2020-001）的支持。
