圖1. a) 具有出色綜合水凈化性能的石墨烯-PDMS海綿示意圖及其制備過(guò)程。 b) 制備流程示意圖。 c) 液體和油滴在海綿表面的潤(rùn)濕行為。 d) 空氣中水滴和水下油滴的接觸角。 e) 水中輕質(zhì)和重質(zhì)油的方向性吸附。 f) 染料凈化、g) 十六烷乳液分離、h) 光熱增強(qiáng)型高粘度油相乳液分離的演示。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)掃描電鏡（SEM）和共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）圖像顯示，石墨烯改性后的海綿表面形成褶皺狀的微納結(jié)構(gòu)，使其由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?，同時(shí)內(nèi)部孔徑分布更均勻、密集。汞侵入孔隙度測(cè)試表明，改性后海綿的孔壁結(jié)構(gòu)密度提高18%，孔隙率僅下降0.94，且孔徑分布由寬變窄，集中在100–200 μm，有利于微米級(jí)分散相的高效截留。力學(xué)性能測(cè)試表明，該材料在循環(huán)壓縮中表現(xiàn)出優(yōu)異的疲勞抗性，能夠在較低應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)高效孔徑調(diào)控，為動(dòng)態(tài)過(guò)濾過(guò)程奠定基礎(chǔ)。

圖2. a) 石墨烯-PDMS和未改性PDMS海綿的SEM和CLSM圖像。 b) CLSM圖像顯示表面起伏范圍。 c) 石墨烯負(fù)載對(duì)海綿多孔結(jié)構(gòu)性能的影響，包括孔隙率、總孔面積、中值孔徑和體積密度。 d) 未改性PDMS和石墨烯-PDMS海綿的孔徑分布。 e) 不同循環(huán)后未改性PDMS和石墨烯-PDMS海綿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

在染料凈化方面，該海綿可通過(guò)壓縮應(yīng)變實(shí)現(xiàn)通量調(diào)節(jié)，在50%應(yīng)變下對(duì)亞甲基藍(lán)（MB）和剛果紅（CR）的去除率超過(guò)99.8%和99.9%。其凈化機(jī)制結(jié)合了石墨烯的吸附性能、π–π共軛效應(yīng)以及物理截留作用，壓縮過(guò)程中流速降低、擴(kuò)散增強(qiáng)，污染物在吸附位點(diǎn)停留時(shí)間延長(zhǎng)，從而顯著提升凈化效率。在37.5%應(yīng)變下，系統(tǒng)在較高通量下仍保持優(yōu)異凈化效果，顯示出良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖3. a) 0% 和 b) 50% 壓縮應(yīng)變下20 mg L?1亞甲基藍(lán)（MB）染料溶液的凈化性能。 c) 不同壓縮應(yīng)變（0–50%）下濾液和原液的吸光度曲線(xiàn)。 d) 不同壓縮應(yīng)變下MB和CR的凈化效率與通量。

在乳液-染料復(fù)合體系分離中，該海綿對(duì)多種油類(lèi)乳液均表現(xiàn)出超過(guò)99.1%的分離效率。通過(guò)一步過(guò)濾處理含染料和十六烷的模型廢水，出水紫外吸收曲線(xiàn)與蒸餾水重合，證明其能同步去除油和溶解性有機(jī)物。系統(tǒng)在處理多組分復(fù)雜乳液時(shí)整體凈化效率超過(guò)98.6%，且經(jīng)20次重復(fù)使用后性能未見(jiàn)明顯下降。

圖4. a) 十六烷乳液分離系統(tǒng)示意圖，以及原液和濾液的光學(xué)顯微鏡圖像。 b) 原液和濾液中的油滴尺寸分布。 c) 各種水包油乳液的分離效率和滲透通量。 d) 染料乳液、同濃度染料溶液和一步過(guò)濾濾液的對(duì)比。 e) MB和CR染料乳液、濾液和去離子水的吸光度曲線(xiàn)。 f) 通過(guò)COD和染料去除效率評(píng)估分離效率和染料去除性能。

面對(duì)高粘度油相（如棕櫚油）分離難題，研究團(tuán)隊(duì)利用該海綿優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，在1.5倍太陽(yáng)光照射下，表面溫度升至85°C，油相黏度下降88.6%，顯著降低了界面?zhèn)鬏斪枇?。在光照條件下，分離效率從82.9%提升至99.2，濾液濁度和COD值顯著降低。機(jī)理分析表明，光熱效應(yīng)通過(guò)降低黏度、提高雷諾數(shù)和邦德數(shù)，促進(jìn)油滴聚并和孔結(jié)構(gòu)捕獲，實(shí)現(xiàn)了高效動(dòng)態(tài)破乳。

圖5. a) 原液和 b) 開(kāi)光與關(guān)光條件下濾液的光學(xué)顯微鏡圖像。 c) 在非光熱和光熱條件下高粘度油相分離的機(jī)理。 d) 原液、濾液（開(kāi)光與關(guān)光）和蒸餾水的吸光度曲線(xiàn)。 e) 在0–50%壓縮應(yīng)變下，開(kāi)光與關(guān)光條件下濾液濁度對(duì)比；f) COD分離效率。

在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，處理后的廚房含油廢水COD值滿(mǎn)足中國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉標(biāo)準(zhǔn)，小麥水培實(shí)驗(yàn)顯示其發(fā)芽率和幼苗生長(zhǎng)與純凈水組相當(dāng)，而原廢水組則無(wú)法發(fā)芽且出現(xiàn)根腐病。在工業(yè)染料廢水處理中，使用活性黑5模擬廢水，經(jīng)海綿處理后的出水在斑馬魚(yú)孵化實(shí)驗(yàn)中孵化率超過(guò)94%，幼蟲(chóng)發(fā)育正常，而未處理組則出現(xiàn)發(fā)育延遲和表皮著色異常。

圖6. a) 光照下凈化系統(tǒng)示意圖。 b) 使用凈化水、濾液和原液進(jìn)行水培的小麥種子發(fā)芽率和芽苗高度。 c) 第1–3天發(fā)芽率對(duì)比。 d) 第5–10天芽苗高度對(duì)比。 e) 活性黑5染料與原液和濾液的對(duì)比。 f) 染色溶液與濾液中魚(yú)苗的孵化率和幼體長(zhǎng)度。 g) 孵化期間魚(yú)卵狀態(tài)圖像。 h) 平游期在染色溶液與濾液中魚(yú)苗狀態(tài)的圖像。

該項(xiàng)研究通過(guò)將彈性基底與光熱調(diào)控相結(jié)合，構(gòu)建了一種多維動(dòng)態(tài)凈化策略，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜乳化廢水的高效適應(yīng)性處理。該海綿材料兼具染料吸附、多組分乳液分離和光熱破乳等多功能集成能力，在工業(yè)和家庭廢水處理中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，這一技術(shù)有望為水資源循環(huán)利用和生態(tài)安全提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，推動(dòng)水污染治理與資源回收一體化發(fā)展。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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