基于CuCo-LDHs的光热与磁多功能海绵：高效去除水中的油脂和微塑料

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：CuCo-LDHs-Based Photothermal and Magnetic Multifunctional Sponge for Efficient Removal of Oils and Microplastics from Water

多功能光热磁性泡沫复合材料对微塑料和原油污染物的协同吸附研究

　　

曲梦楠|李思宇|曹梦格|刘子琪|薛坤|何金梅

西安科技大学化学与化学工程学院，中国西安710054

摘要

本文通过浸涂法成功制备了一种具有磁驱动和光热转换功能的多功能复合材料，可用于水中的油类和微塑料（MPs）吸附。通过将PDA、CuCo-LDHs、Fe₃O₄和PDMS依次负载到三聚氰胺泡沫（MF）结构上，制备出了一种多功能复合海绵，并将其命名为PDMS/Fe₃O₄/CuCo-LDHs/PDA@MF（PFCA）。该材料表现出优异的光热转换性能，在2.0 kW/m²强度的模拟阳光下，表面最高温度可达141.1 ℃。同时，PFCA在油水分离方面也表现出色，对多种油类的去除效率均超过99%。此外，PFCA对MPs的吸附性能良好，对PE、PP和PS的去除效率分别达到98.3%、98.1%和98.7%。最后，研究了PFCA对MPs的吸附行为，并分析了p–π、π–π相互作用、静电力、氢键作用以及超疏水效应等协同作用机制。

引言

随着工业生产的不断发展，塑料制品已成为现代社会不可或缺的材料。然而，塑料制品的大规模生产和消费不仅带来了便利，也带来了严重的环境问题[1]。由于物理磨损、光降解和生物作用，自然界中的宏观塑料垃圾逐渐分解为直径小于5毫米的微塑料（MPs）[2]。MPs是典型的持久性污染物，在陆地和水生生态系统中广泛存在[3]。它们表面具有很强的吸附能力，能与重金属、抗生素和持久性有机污染物结合形成复杂的复合污染物，从而对环境构成累积性威胁[4]。特别是在海洋生态系统中，大量MPs通过食物链被水生生物摄入[5]，具有中间迁移特性[6]，最终可能危害人类健康[7]。研究表明，人类每天通过饮料摄入约1.6-1.7毫克/千克体重的MPs，通过饮用水摄入约1毫克/千克体重的MPs。据此估计，一个70公斤重的成年人每天可能通过饮料摄入112-119个微塑料颗粒[8]。为了从水中去除MPs，常规水处理过程需要额外的过滤和消毒步骤，这增加了操作复杂性，并加剧了碳中和框架下的能源与环境冲突[9][10]。现有的去除方法（如基于密度分离、构建湿地、混凝/絮凝沉淀物、微生物降解等）通常效率较低，操作复杂且可能存在二次污染[11][12][13]。因此，开发绿色、高效且可再生的功能性材料以减轻MPs带来的环境威胁至关重要[14]。特别是同时具有超疏水/超亲油性质和多种协同作用机制的多功能材料，在高效去除水中的微塑料方面具有巨大潜力[15][16]。

除了MPs外，海洋环境中的原油泄漏也是不容忽视的一种严重污染[17]。原油是一种高能量物质，含有大量难降解成分，如芳香烃、树脂和沥青质[18][19]。原油泄漏常发生在提取、运输和储存过程中[20][21][22]。一旦原油泄漏到水中，会迅速在水面上扩散成薄油膜，影响水与水生生物之间的氧气交换[23]。此外，原油还会释放许多有毒有害物质，对水生环境和生物造成严重影响，并可能通过食物链导致这些物质的生物累积，进而危害人体健康[24][25]。更重要的是，海面上的原油容易吸附疏水性MPs，形成新的复合污染物，进一步增加生态和健康风险[26]。传统的原油修复方法（如物理收集、化学处理和生物降解）效率低下，受条件影响较大，且可能引发二次污染[27]。因此，开发高效、环保且可持续的功能性材料是减轻原油泄漏造成的环境和健康危害的有效途径[28][29]。

层状双氢氧化物（LDHs），也称为水滑石或类水滑石化合物，是一类具有典型二维层状结构的无机材料[30][31]。它们通常由带正电的金属氢氧化物层和可自由交换的层间阴离子组成。LDHs的一般结构式为