《Journal of Virus Eradication》：Sustainable oil-water separation via recycled PE-modified waste cotton fibers: Fabrication, performance, and integrated automated system
Jiale Li|Jing Zhang|Shixuan Bo|Zhengkang Shi|Yutong Jiao|Yanting Zhang|Peng Chen|Ming Zhang|Meitong Li
天津工业大学化学与化学工程学院，中国天津，300384
摘要
石油泄漏事故和工业含油废水的持续排放对水生生态系统和人类健康构成了严重且持久的威胁，这迫切需要高效、低成本且可扩展的油水分离技术。然而，大多数现有的吸油材料存在合成过程复杂、原材料成本高或重复使用性差的问题，限制了它们的大规模实际应用。为了解决这一难题，本研究通过简单的涂层工艺开发了一种疏水-亲油吸附剂（PE-WCF），使用废弃棉纤维（WCF）和回收聚乙烯（PE）作为原料，实现了两种固体废物的高价值转化。PE-WCF的水接触角达到140.4°（而原始WCF的水接触角为0°），使其具有优异的油选择性。批量实验表明，PE-WCF对各种油类/有机溶剂的吸附能力很强（4.0–8.4 g·g?1），并且能够高效地通过重力驱动分离轻质（正己烷/水）和重质（四氯化碳/水）油水混合物。为了验证其实际应用性，设计了一种集成PE-WCF皮带的自动撇油器，实现了连续的油吸附和在线回收，且性能没有明显下降。放大模拟表明，一个1.5米×1米×1米的现场可部署装置可以在约7.5小时内处理10,000平方米的油膜（0.5毫米厚）。总体而言，这项工作提出了一种可扩展、可重复使用且环保的油水分离策略，将废物回收与设备级应用相结合，为大规模石油泄漏治理提供了有前景的循环经济解决方案，具有重要的环境和经济价值。
引言
近年来，石油泄漏事件、工业废水排放以及城市污水中脂质污染物水平的上升引起了人们对油水分离技术的广泛关注[1]、[2]、[3]。因此，开发高效、经济且环保的分离材料和系统已成为环境污染控制领域的研究重点[4]、[5]、[6]。已经研究了多种油水分离技术，包括电凝聚[7]、离心[8]和基于吸附的方法[9]。其中，基于吸附的方法因其操作简单、能耗低以及适用于分散和连续分离场景而受到特别关注。天然棉纤维作为一种可再生[10]、低成本[11]和多孔材料[12]，由于其优异的吸附能力和灵活性[13]，在油水分离方面具有巨大潜力。然而，棉纤维固有的亲水性阻碍了它们在油水系统中分离非极性有机相的能力[14]。因此，提高其疏水性对于功能性应用至关重要[15]。
为了增强棉纤维的疏水性，研究人员开发了多种表面改性方法[16]、[17]、[18]。例如，Wang等人通过在 kapok 纤维表面直接固定 Fe?O? 纳米颗粒并进行疏水改性，制备了一种磁性超疏水吸油剂。即使经过多次使用，该材料的水接触角仍超过143°，其吸油能力也显著高于原始纤维[19]。Tao等人通过调节氨含量来控制四乙基正硅酸盐（TEOS）的水解，制备了一种超疏水棉织物，当氨含量保持在3–6%范围内时，该织物的水接触角为156°，并且在分离油水混合物方面表现出98%的效率[20]。Wang等人通过一步水热法在 kapok 纤维表面均匀生长了 ZnO 纳米针，随后用十二硫醇（DDT）进行疏水改性，获得了吸油能力高达自身重量40.8至70倍的材料，且能够高效分离油水乳液（透明度：>86.4%）[21]。尽管这些方法在提高表面疏水性方面取得了进展，但复杂的工艺、高昂的成本和环境问题限制了它们的大规模应用。
除了上述改性材料外，聚合物材料也被用于疏水改性。例如，氟化环氧树脂[22]和硅烷偶联剂[23]等材料也有应用。聚乙烯（PE）也是一种疏水改性材料。作为产量最大、应用最广泛的合成塑料，它广泛应用于日常生活、实验室和工业领域（如垃圾袋、手套、薄膜和滴管[24]）。全球每年生产的塑料超过4亿吨，其中不到10%被回收[25]。
然而，聚乙烯的高化学稳定性和长降解周期给传统的处置方法（如填埋或焚烧）带来了重大生态挑战。目前的聚乙烯回收技术包括通过化学转化实现增值升级、物理回收的大规模商业化以及生态高效的生物降解[26]、[27]、[28]、[29]。例如，Celik等人利用氢解作用，在 SrTiO? 钙钛矿纳米立方体上负载分散良好的 Pt 纳米颗粒（NPs），将聚乙烯大分子催化转化为高附加值产品[30]。Sánchez-Rivera 等人通过选择性聚合物溶解从多层塑料包装膜中分离并回收了聚乙烯树脂，回收率为61.78 ± 1.74 wt%[31]。
回收聚乙烯废物不仅减少了环境污染，还使得具有特殊润湿性的表面制造成为可能。鉴于其固有的疏水性和亲油性，聚乙烯理论上有可能被转化为吸油材料。本研究提出了一种新的方法，通过简单工艺将废弃聚乙烯重新利用，开发出低成本、无毒的疏水棉纤维用于油水分离。
尽管已经付出了大量努力来提高天然纤维的疏水性，但大多数报道的策略依赖于复杂的多步骤表面改性、无机纳米材料、氟化试剂或硅烷化学方法——这些方法都增加了制造成本、环境负担和大规模应用的障碍。然而，现有研究主要集中在提高单个吸附剂的润湿性或吸附性能上，很少关注将低成本回收材料整合到实用的连续油水分离系统中。值得注意的是，虽然聚乙烯（PE）废物已经通过化学或物理处理进行了广泛的增值回收探索，但其直接作为纤维状吸油涂层的再利用尚未得到充分研究。
为了解决这一难题，我们提出了一种简便、可扩展的策略，通过将废弃聚乙烯溶解在甲苯中并均匀沉积在废弃棉纺织品上来制备 PE 改性棉纤维（PE-WCF）。我们的方法仅使用回收的聚乙烯和溶剂处理，简化了制造过程。此外，PE-WCF 被集成到自动撇油器中，展示了稳定、高效的连续分离性能。这项工作通过将废物聚合物回收与基于吸附的油水分离相结合，为可持续分离材料/系统提供了低成本、环保且实际可行的途径。
材料
废弃棉纤维（WCF）来自废弃的棉纺织品。聚乙烯（PE）来自一次性塑料手套。化学试剂：甲苯、二氯甲烷、正己烷、煤油和氢氧化钠（NaOH）从中国富晨（天津）化学试剂有限公司购买；乙醇（C?H?OH）从天津彪淼化学试剂有限公司购买；盐酸（HCl）从天津永飞化学试剂有限公司购买；菜籽油来自益海 Kerry Arawana 控股公司
形态分析
通过 SEM（图 2a1–b2）研究了 WCF 和 PE-WCF 的表面形态。如图 2a 所示，原始废弃棉纤维由直径为 15–20 微米的光滑纤维交织而成，相邻纤维之间有直径在 1 到 25 微米之间的许多间隙。在纤维表面观察到大量的聚乙烯沉积，使其原本光滑平整的形态变成了皱褶粗糙的表面。
结论
本研究通过简单的改性策略，将废弃聚乙烯（PE）和废弃棉纤维（WCF）转化为疏水-亲油吸附剂（PE-WCF）。该改性使 WCF 的表面润湿性从亲水性（水接触角 0°）变为疏水性（140°），并赋予了优异的油选择性吸附能力（4.0–8.4 g·g?1）。PE-WCF 在恶劣条件下（机械磨损、极端 pH 值、盐度）仍保持良好的稳定性，证实了其适用性
CRediT 作者贡献声明
Jiale Li：撰写 – 原稿撰写、验证、实验研究、数据分析。Jing Zhang：方法论设计、实验研究。Shixuan Bo：软件开发、数据管理。Zhengkang Shi：实验研究、数据分析。Yutong Jiao：实验研究、概念构思。Yanting Zhang：验证、数据管理。Peng Chen：资源获取、资金筹集。Ming Zhang：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论设计、概念构思。Meitong Li：审稿与编辑、监督、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明他们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
本研究得到了中国浙江省自然科学基金（LZJWY22B070005的财政支持。
