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通过一锅合成和化学气相沉积法，将凝胶atin、TEMPO氧化纤维素纳米纤丝和碳纳米管复合制备出GCTM生物质气凝胶。该材料具有超亲水性和高效光热转换（60秒内升温至83.4℃），显著降低高粘度原油（如S-L和J-B油）粘度，吸附容量达56.06-71.60g/g，速率9.7-12.9g/cm3·s?1，机械性能优异且可重复使用（10次循环后保留83.36%容量）。研究为太阳能驱动的高粘度原油泄漏治理提供了环保解决方案。
Juan Sun|Meihua Pang|Shuixiang Xie|Shulei Wang|Wenhui Zhang|Fang Liu
中国石油大学（华东）化学与化学工程学院，青岛市266580，中国
摘要
高粘度原油泄漏的治理仍然是一个重大的环境挑战，因为传统的吸附剂往往效果不佳，导致长期的生态危害。本文开发了一种环保、可重复使用的生物质气凝胶（GCTM），该气凝胶由明胶、碳纳米管和纳米纤维素通过简单的一锅法合成并结合化学气相沉积技术制备而成。这种气凝胶具有可压缩的三维多孔网络结构，表现出优异的疏水性（水接触角为141.3°）和光热转换性能，在100 mW·cm?2的光强下60秒内温度可升高至83.4°C。这使得GCTM能够快速降低原油粘度并实现超快吸附，对于S-L和J-B等高粘度原油，其吸附容量可达56.06-71.60 g·g?1，吸附速率为9.7-12.9 g·cm?3·s?1。动力学研究表明，吸附过程主要受光热辅助的粘度降低机制控制，遵循伪一级动力学模型。此外，GCTM气凝胶具有出色的重复使用性，通过简单的机械挤压可回收超过81%的吸附油，10次循环后仍保留83.36%的初始吸附容量。吸附容量主要受油密度影响，而吸附速率则受粘度控制。本研究提供了一种可持续且高效的太阳能驱动策略，用于减轻高粘度海洋原油泄漏带来的环境危害。
引言
频繁的海洋原油泄漏事件，由于全球石油勘探和运输活动的影响，对海洋生态系统和人类健康构成了严重且持久的威胁[1]、[2]、[3]。当涉及高粘度原油时，环境后果尤为严重。由于这些原油流动性差，会导致广泛的持续性污染，导致海洋生物（如鸟类和鱼类）窒息，并严重破坏生态平衡，因此需要紧急且有效的治理策略[4]。
目前的原油泄漏应对技术，包括物理吸附、化学分散、原位燃烧和生物修复，每种方法都有其固有的局限性[5]、[6]。其中，使用三维多孔材料的吸附方法被认为是最直接且环境友好的方法之一[7]、[8]、[9]。传统的疏水-亲油多孔材料，如改性海绵[10]、[11]、气凝胶[12]和泡沫[13]，对低粘度原油具有高效率。然而，当处理高粘度原油时，由于孔隙渗透的困难，它们的性能会大幅下降，无法有效应对这一特定环境问题。
一种克服这一限制的有前景的策略是通过加热来降低原油粘度，这显著提高了原油的流动性[14]、[15]、[16]。在这种情况下，将丰富的太阳能转化为热能的光热材料提供了一种比电加热更可持续和节能的替代方案[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。已经探索了多种光热剂，如MXene[22]、石墨烯[23]、碳纳米管（CNTs）[24]、炭黑[25]和聚吡咯[26]。碳纳米管因其广谱光吸收、高光热转换效率和成本效益而特别具有吸引力[27]、[28]、[29]。然而，将碳纳米管通过浸涂法沉积在石化衍生聚合物海绵上的常见方法引发了关于环境可持续性和长期稳定性的担忧。更严重的是，这些复合海绵在受到磨损时可能会释放碳纳米管和微塑料到海洋环境中，这种二次污染风险尚未得到充分了解。作为新兴的环境污染物，碳纳米管可能与海洋生物发生复杂的相互作用。这种材料释放（纳米颗粒和微塑料）的双重风险限制了它们在敏感海洋生态系统中的实际应用[30]、[31]、[32]、[33]。
因此，开发一种既环保又能与光热剂稳定结合的基底至关重要。在这方面，生物质衍生的气凝胶是一个有前景的解决方案。明胶是一种天然存在的生物聚合物，来源于动物皮肤、骨骼和皮革加工废弃物，其分子链上富含羟基、羧基和氨基等反应性交联位点[34]、[35]、[36]。然而，纯明胶气凝胶的机械强度较差，在水环境中容易发生结构降解，严重影响了其长期稳定性和重复使用性[37]。虽然已经探索了层状双氢氧化物[37]、凹凸棒[38]和氧化石墨烯[39]等增强材料，但它们通常面临颗粒聚集和高成本的问题，或者并非完全来自可再生资源。
本文中，我们引入了TEMPO氧化的纤维素纳米纤维（TOCNF）作为理想的、完全来自生物质的增强剂。TOCNF具有高长径比和富功能基团的表面，为增强材料提供了优越的选择[40]、[41]、[42]、[43]。将TOCNF与明胶和碳纳米管系统地结合，制备出一种高性能的生物质衍生气凝胶——完全不含合成聚合物，并专门用于太阳能驱动的高粘度原油泄漏治理，这一领域尚未得到充分研究。此外，在实际模拟的海洋条件下，对这种光热气凝胶的性能进行全面评估仍然很少[44]、[45]、[46]、[47]。具体来说，其在太阳辐射下的垂直热传递能力、对粘性原油的吸附动力学以及在动态水环境中长期抵抗碳纳米管脱落的能力是尚未深入研究的重点性能指标。
在这项工作中，我们通过简单的一锅法设计并制备了一种多功能的全生物质气凝胶（称为GCTM）。我们的核心创新在于明胶、TOCNF和碳纳米管的合理组合，随后进行冷冻干燥和甲基三甲氧基硅烷（MTMS）的化学气相沉积（CVD）。这一策略将TOCNF用于机械增强，碳纳米管用于光热转换，明胶作为结构框架，形成了一个耐用的超疏水三维网络。关键的是，MTMS的CVD过程被认为可以形成疏水硅氧烷网络，不仅确保了超疏水性，还物理上将碳纳米管封装并固定在生物聚合物基质上，从而直接解决了碳纳米管释放的风险。与依赖石化基材的传统光热海绵不同，我们的GCTM气凝胶完全来自可持续资源。
我们假设这种独特的设计将产生一种同时具备超疏水性、高效太阳能到热能转换、在水中良好的机械完整性和显著的垂直热传递能力的材料，从而实现高粘度原油的快速吸附和回收。为了验证这一点，我们进行了全面的表征，并系统评估了其在模拟阳光、自然阳光以及模拟海洋条件下的重复使用性和有效性。此外，还详细研究了吸附动力学和油性质的影响。本研究旨在提供一种可持续、高效且可重复使用的策略，专门用于减轻高粘度海洋原油泄漏的环境影响，从而推动绿色治理技术的发展。
材料
明胶（≥97.0%）和戊二醛（25%水溶液）购自中国国药化学试剂有限公司。TOCNF悬浮液（2 wt%，直径：1-20 nm，长度：500–5000 nm）由山东申健有限公司提供。羧基功能化的碳纳米管（直径：8–15 nm，长度：30–50 μm）来自安徽泽生科技有限公司。MTMS（98%）用作疏水剂。使用了八种类型的油（J-B原油、S-L原油、柴油、机油、轻质原油、橄榄油）
材料设计与优化
有效治理高粘度原油泄漏需要具有强孔隙性、选择性疏水性和高效光热转换能力的吸附剂。为此，我们设计了一种混合气凝胶（GCTM），通过将明胶作为多功能基质，TOCNF用于机械增强，碳纳米管用于光热转换，然后通过MTMS进行疏水改性。这种合理的设计如图1a所示，旨在创建一种多功能材料
结论
高粘度原油泄漏的有效治理是一个重大的环境挑战，需要创新和可持续的解决方案。在这项研究中，我们通过绿色的一锅法和气相沉积路线成功开发了一种多功能生物质混合气凝胶（GCTM），用于太阳能辅助的高效清理这类危险泄漏。明胶、TOCNF和碳纳米管的精确结合形成了一个强大的三维网络，展现了协同效应
环境影响
这项工作的环境影响是深远且多方面的。首先，该气凝胶由可再生生物质（明胶和纤维素）制成，提供了一种环保的替代方案，减少了对化石资源的依赖。此外，简单的一锅法合成策略简化了制造过程，消除了传统多步浸涂方法中依赖溶剂的步骤。
作者贡献声明
Wenhui Zhang：研究、数据管理。Shulei Wang：可视化、研究。Shuixiang Xie：验证、监督、方法学。Meihua Pang：撰写——初稿、可视化、研究、正式分析、数据管理。Juan Sun：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、监督、项目管理、研究、资金获取。Fang Liu：验证、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（41506117）和中石油科研与技术开发项目（2022DJ6906, 2021DJ6606）的支持。
