《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Anthropogenic drivers of the composition and distribution of pharmaceuticals and personal care products in landfill leachate in China
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研究成功制备了氟化聚二甲基硅氧烷修饰碳 cloth（CC-PDMS-F），该材料在高温、强酸碱及机械磨损下仍保持97.62%的高油水分离效率，渗透通量达1×10? L·m?2·h?1，且长期稳定，适用于复杂油污废水处理。
邹浩轩|向亚东|常登高|刘梅增|王家辉|刘玲龙|李子明|谢一鸣|陈俊如|史志远|张申豪|王旭
中国武汉大学资源与环境科学学院生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室，武汉430079
摘要
膜分离技术的最新进展表明，其在高效去除废水中的油分方面具有巨大潜力。然而，处理含油废水时常面临恶劣的操作条件，包括高温、极端酸性或碱性环境以及严重的机械磨损。为应对这些挑战，本研究成功制备了一种氟化聚二甲基硅氧烷改性的碳布（CC-PDMS-F），该材料在保持高分离性能的同时，对多种极端环境具有出色的耐受性。CC-PDMS-F膜的分离效率高达97.62%，对于油水混合物的渗透通量约为1×104L·m-2·h-1。此外，对于水包油乳液，其分离效率仍可达到94.86%。重要的是，在宽广的温度范围内，接触角和滑动角的变化小于1%，而在pH值从1到13的条件下，接触角波动幅度也在3%以内。此外，该膜在持续机械磨损下表现出优异的长期稳定性，证实了其在具有挑战性的含油废水处理应用中的适用性。
引言
快速的工业化进程导致了大量基于油的废物和污染物的产生[1]、[2]、[3]。石油基污染物，特别是多环芳烃（PAHs）等持久性有毒物质，会通过食物链积累并放大，最终对人类健康构成严重威胁[4]。同时，受油污染的海洋生态系统往往需要数十年甚至更长时间才能恢复，导致生物多样性的不可逆损失。此外，随着全球能源运输和海上钻探活动的不断扩展，大规模石油泄漏的风险显著增加[5]。然而，现有的应急响应技术仍不足以实现快速高效的环境修复。因此，开发有效的油污染处理技术已不再仅仅是资源回收的经济问题[6]，而成为涉及生态安全、公共卫生和可持续发展的紧迫而关键的任务[7]。含油废水的主要成分包括水、油、固体颗粒以及各种溶解或悬浮的有机和无机物质[8]。具体组成取决于污染源、处理过程和环境条件等因素。通常，含油废水可能含有轻质油、表面活性剂、金属碎片、可溶性盐类和其他污染物。在某些情况下，还可能含有重金属（如镉、铅、汞）和有机酸。由于这些成分的复杂性和多样性，处理技术必须在多种且往往恶劣的操作条件下表现出高稳定性和可回收性[9]。尽管生物处理[10]、离心分离[11]、吸附[11]、原位燃烧[12]和气浮[13]等方法已被广泛用于含油废水处理，但这些方法通常操作复杂、分离效率有限且能耗较高。此外，当面对成分复杂或变化较大的废水时，其性能往往会下降。因此，开发具有更高操作稳定性和更广泛应用性的处理技术已成为当务之急。
为了解决当前油水分离中的挑战，膜分离技术因其环保性、可重复使用性和稳定性而受到广泛关注[14]。近年来，随着新材料科学和技术的发展，研究人员提出了多种创新的油水分离材料和方法，例如具有特殊润湿性能的材料[15]。这些材料能够选择性地有效过滤或吸附水中的油分，被称为“油去除”型材料，如杨柳木[16]、碳基材料[17]、疏水性气凝胶[18]和PTFE涂层网[19]。其中，碳材料因其高稳定性而被广泛使用。郭宇[20]、莫静鹏[21]和张慧敏[22]报道了基于碳纳米管的膜用于油水分离，取得了出色的分离效率和强大的环境耐受性。然而，高成本、复杂的改性过程和有限的可重复使用性等问题阻碍了其大规模实际应用。油水分离技术不仅应具有高效的分离性能，还必须具备环保性、可重复使用性和经济可行性[23]、[24]。因此，迫切需要开发结合高稳定性和成本效益的过滤设计，作为昂贵的碳基材料（如碳纳米管膜）的可行替代方案。
因此，我们提出使用商业碳基底，并通过简单的改性处理来合成高效的油水分离膜。碳布是一种低成本且易于获得的商业碳基材料，具有高孔隙率和优异的柔韧性，以及在高温、宽pH范围和机械应力下的内在稳定性[25]。然而，其天然的疏水性有限；因此，为了实现高通量的油水分离，对其进行表面改性以获得超疏水性和亲油性是必要的。通过沉积金属氧化物来赋予碳布疏水性的策略已被广泛研究，例如二氧化钛[26]、[27]或双层金属氧化物结构[28]的负载。尽管这些方法可以提高表面疏水性并实现油水分离，但所得涂层通常与原本坚固的碳布基底之间的界面兼容性较差。因此，在酸性环境或机械磨损下，疏水层容易溶解、分层或结构降解。因此，开发一种在恶劣化学和机械条件下能够长期保持油水分离性能的高稳定性疏水涂层仍然是一个亟待解决的挑战。聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其出色的疏水性和化学稳定性而被广泛用于油水分离[29]。为了构建坚固耐用的疏水涂层，PDMS与碳表面的含氧官能团交联，形成了牢固锚定的聚合物层[30]。然而，交联PDMS网络的末端基团需要进一步钝化以降低表面能。这是通过水解和缩合反应将1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTES）接枝到表面上实现的[31]。这种两步改性策略产生了CC-PDMS-F材料。
在这项工作中，首次制备了一种超疏水性和超亲油性的碳布（称为CC-PDMS-F），方法是先构建基于PDMS的疏水涂层，然后进行表面氟化以进一步降低表面能。所得膜不仅表现出高效的分离性能，还具有优异的机械强度、长期耐久性、可回收性和环境兼容性。通过对碳布进行一系列表征技术，初步确认了其成功的改性。随后，通过测量油水接触角验证了CC-PDMS-F的超疏水性和超亲油性，而油水分离实验证明了其高分离通量。此外，还进行了多次循环测试和在不同pH条件、盐度和磨损长度下的处理，共同证实了改性碳布的优异稳定性和可重复使用性。最后，系统研究了CC-PDMS-F可以有效分离的油类范围。
材料
碳布（W0S1011）购自台湾碳能源科技有限公司，聚二甲基硅氧烷由天津浩源生化科技有限公司提供。C.I.溶剂红27（Oil Red O）购自上海碧德制药科技有限公司，山梨醇单油酸酯（Span 80）来自安徽泽生科技有限公司。亚甲蓝、无水乙醇（95%）和二氯甲烷（CH2Cl2）由阿拉丁试剂有限公司提供。
表征
为了提高原始碳布的天然疏水性，首先构建了聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层。PDMS在碳布表面的负载机制如图1(b)所示。具体来说，PDMS溶解在正己烷中，通过碳布表面含氧官能团与PDMS分子之间的范德华相互作用和化学反应，液态PDMS被吸附到碳布表面
结论
在这项研究中，通过简单的两步改性工艺制备了一种超疏水性碳布（CC-PDMS-F）。使用油水混合物和水包油乳液进行了循环过滤实验，并系统评估了过滤通量和油水分离效率。随后分析了CC-PDMS-F的制备及其疏水层的形成机制。还构建了Zisman图以确定临界表面能
CRediT作者贡献声明
王家辉：数据可视化、数据管理。刘玲龙：研究。常登高：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、正式分析、概念化。刘梅增：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、数据管理。王旭：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源管理、项目管理、研究、资金获取、概念化。邹浩轩：写作 –
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2019YFD1101301）、湖北省生态环境厅环境保护科学研究项目（2023ZHB-06）以及长江生态环境保护与修复联合研究（2022-LHYJ-02-0506-07）的支持。
