三維超浸潤多孔材料在油水分離中的研究進展

劉戰劍，楊金月，景境，張曦光，汪懷遠，2

（1 東北石油大學化學化工學院，黑龍江 大慶 163318；2 天津大學化工學院，天津 300350）

石油作為一種不可再生資源已經廣泛地應用于工業生產、交通運輸等行業[1]。隨著時代的不斷發展，人類對石油的開采量也不斷增加，然而開采過程中造成的原油泄漏事故已經屢見不鮮。原油泄漏導致大量的含油廢水排放到人類的生存環境，不僅影響地表水和地下水的水質，更是抑制水生生物的生長和發育[2]。此外，油類中的有毒物質進入土壤又破壞土壤的結構，使土壤肥力下降[3]，最終導致農作物減產甚至死亡[4]。因此，研究具有高效持久性的油水分離材料已經成為當前科研工作者的廣泛追求[5]。

按照含油廢水中油滴的尺寸大小，可以將含油廢水分為四類[6]，即浮油（>150μm）、分散油（20～150μm）、乳化油（<20μm）、溶解油（小于幾個納米）。傳統的油水分離方法包括重力法[7]、離心法[8]、膜分離法[9]、吸附法[10]等。Li 等[11]受沙漠中甲蟲在空氣中集水能力的啟發，利用靜電紡絲技術電紡聚丙烯腈（PAN）得到納米纖維膜，然后再利用自旋涂技術將ZIF?8納米顆粒涂覆到納米纖維膜的表面，制備出一種超疏水?水下超親油膜，該超疏水?水下超親油膜在表面活性劑穩定的水包油乳液中的油水乳液分離效率高達99.92%。Zhong 等[12]采用水熱法和過濾吸附法制備了一種水下超疏油復合聚乙烯醇?氧化石墨烯?二氧化鈦（PVA?GO?TiO2，PGT）膜，該復合膜具有優良的水包油乳液分離性能，水包油乳液分離效率大于99.1%。盡管如此，超浸潤膜在油水乳液分離中存在膜堵塞嚴重和油水分離后膜受到污染的問題仍不容小覷。綜上所述，雖然傳統的油水分離方法在一定程度上展現出獨特的油水分離優勢，但存在分離速度受限、不能連續操作、分離效果不佳、成本高等缺陷[13]。因此研發新方法、新技術進行油水分離已經成為科研工作者的研究熱點。三維多孔材料因其具有空隙率高、質地輕、密度小、比表面積大等特點，已經成為一種理想的油水分離材料[14]。

1997 年，德國植物學家貝特洛特發現，水滴在荷葉上傾斜一個角度時可以自由滑落而帶走荷葉表面的灰塵，被稱為荷葉效應[15]。受到自然界的啟發，科研工作者通過對三維多孔材料的表面進行修飾和調控，設計出不同浸潤性的三維超浸潤多孔油水分離材料。例如，Duan 等[16]通過物理加載和官能團接枝，將生物炭和十八烷胺裝載到三聚氰胺海綿的表面上，成功獲得了超疏水?超親油三聚氰胺海綿。Zhu 等[17]采用一種葉狀的Co?ZIF?Co?ZIF?L材料涂覆在聚氨酯海綿表面，成功制備了超親水?水下超疏油聚氨酯海綿。Xu 等[18]將三維細胞狀的BiOCl 微球錨定在海綿骨架中，并用十二烷二酸和月桂酸對其進行改性，設計出一種具有可切換潤濕性和光催化活性的智能pH 響應型三聚氰胺海綿。在油水分離過程中三維超浸潤多孔材料因其具有油水分離效率高、循環使用效果好、機械性能穩定等特點，展現出廣闊的應用前景和發展空間。

本文綜述了三維超浸潤多孔材料在油水分離中的研究進展，介紹了浸潤性的基本概念以及自然界中常見的超浸潤現象，揭示了三維超浸潤多孔材料的油水分離原理，系統概括了三維超浸潤多孔材料的種類及其在油水分離中的研究進展，最后指出當前研究存在的問題，并針對可以改進的問題提出了合理的改進方案，為未來三維超浸潤多孔材料的研究提供新的思路。

1 基本理論

1.1 接觸角、接觸角滯后與滾動角

固體表面潤濕性理論是材料進行油水分離的理論基礎，固體表面的潤濕性常用接觸角來表示[19]。接觸角被定義為以固液氣三相的交點為頂點、固液相界面和液氣相界面的切線組成的夾角，符號為θ。θ的大小可以表示液體在固體表面的鋪展程度：當θ<90°時為親水表面，特別地，當θ<10°時稱為超親液表面，此時的液體很大程度上鋪展在固體材料的表面；當θ>90°時為疏水表面，特別地，當θ>150°時稱為超疏液表面，此時的液體在固體表面呈水珠狀，可以在光滑的固體表面自由滑落。1805年，托馬斯楊首次用Young 模型[20]來計算液體在固體表面的接觸角，見圖1(a)，即空氣環境中液滴在理想光滑固體表面上松弛時，接觸角可以用三相界面的界面張力來計算，如式(1)所示。

此時若緩慢增加液體的體積，隨之增大的接觸角稱為前進角，持續增加液體體積，三相界線突然向外移動時的接觸角為最大前進角，用θadv表示，見圖1(b)。反之，持續減小液體體積時三相界線突然向內移動時的接觸角為最小后退角，用θrec表示，見圖1(c)。定義(θadv?θrec)為接觸角滯后[21]，液體隨表面傾斜開始移動時的傾斜角度為滾動角[22]，命名為α，見圖1(d)。

實際情況下，理想光滑表面很難存在，因此Wenzel在Young的基礎上引入粗糙度進行修正，即Wenzel模型[23]。Wenzel模型的一個重要理論依據是當液滴在非理想均勻粗糙表面上松弛時，見圖1(e)，假設液體能夠完全填滿粗糙表面上的凹槽，此時液體在固體表面的接觸角計算如式(2)所示。

當cosθ<0 且cosθ'<γcosθ時，粗糙度增大，疏水面的疏水性強；當cosθ>0 且cosθ'>γcosθ時，粗糙度增大，親水面的親水性增強。

然而實際情況是液滴不能鋪展到粗糙結構內部，致使部分空氣被截留在液滴與固體表面的縫隙中，形成固/液/氣三相界面，見圖1(f)。把粗糙的材料表面假設成一個復合表面，實際的液滴并未完全充滿固體上的凹槽，液滴既與固體的粗糙表面接觸，又與粗糙結構中的空氣層接觸而達到平衡狀態的一種模型，即Cassie 模型[24]，此時液體在固體表面接觸角的計算見式(3)。

圖1 液滴不同的浸潤模型以及接觸角、接觸角滯后與滾動角模型

此時若改變材料表面的表面能和粗糙度可以改變材料的浸潤性，達到超親/疏水、超親/疏油的目的。水下理想光滑表面上油滴的接觸角計算見式(4)。

此時Wenzel 和Cassie 模型的接觸角又可以按式(5)和式(6)計算。

特殊地，當液滴從Cassie‐Baxter 狀態[25]轉變為Wenzel 狀態時，液體將會替代粗糙表面凹槽中的部分空氣，致使表面靜態接觸角的降低和動態接觸角滯后的增加，利用兩個狀態的方程即可得到接觸角閾值θc，見式(7)。

此時由于f1<1<γ，所以?190°。當cosθr

2009年，Jiang等[26]通過1,2-二氯乙烷的水下接觸角測試，證明了Cassie‐Baxter模型不僅適用于空氣/水/固體復合界面，同樣適用于水/油/固體復合界面。當超親水材料浸入水中時，其表面的凹槽被水填滿。根據式(6)，當油滴在水下與該材料接觸時，由于接觸水的面積分數較大，導致f1變小，因此表觀接觸角也增大，即材料顯示出水下超疏油的特性。

1.2 自然界的超浸潤現象

荷葉表面的自清潔現象引起了科研人員的廣泛關注，人類又從自然界中發現，芋頭的葉子、印度美人蕉[27]、薔薇花瓣、花生葉[28]、油菜花等也具有超疏水現象，科研人員進一步探索其疏水的機理，用電子顯微鏡觀察其表面，發現這些植物的疏水性與表面結構含有低表面能的蠟質層和乳突狀的粗糙結構有關[29]，見圖2(a)。隨著研究的不斷深入，魚類能在含油廢水里保持自身的清潔引起科研人員的關注，后來科研人員進一步對魚鱗的表面結構進行了研究，發現魚鱗表面由磷酸鈣、蛋白質和一層親水性黏膜組成，在顯微鏡下觀察發現，魚鱗的表面有許多呈放射狀排列的微乳突結構[30]，見圖2(b)，這種結構使得魚鱗的表面很容易被液體鋪展，從而呈現超親水?水下超疏油的特性。

圖2 自然界中的一些超浸潤現象[32]

受這些現象的啟發得出結論，在材料表面構造納微結構和低表面能可以實現特殊浸潤表面[31]，根據得出的結論，可以構筑三維超浸潤多孔材料表面，從而增加油水分離過程中材料對水/油的選擇透過性、吸附和保油性，最終實現油水混合物的分離并回收油。接下來將進一步揭示油水分離的原理。

1.3 油水分離的原理

目前構造三維超浸潤多孔材料表面主要通過兩個途徑：①在材料表面構造納微結構；②降低材料的表面能。根據永?拉普拉斯方程[33]，將任何平面或截面設想為網格平面，液滴在多孔材料表面產生外部壓力，液滴進入多孔材料的通道要克服侵入壓力，侵入壓力定義為式(8)。

式中，γ是水/油的界面張力。對于超疏水?超親 油 的 材 料 表 面，θA水>150°，Δp水> 0，然 而，θA油<30°，Δp油< 0，見圖3(a)，此時水被阻擋在材料的外表面，而油在侵入壓力的作用下滲透多孔材料的表面，然后在重力驅動以及多孔材料表面介質張力的作用下將油滴吸附至多孔材料的通道并“儲存”起來，最終實現油水分離。與之相反，對于超親水?超疏油材料表面，θA水<30°，Δp水< 0，然而，θA油>150°，Δp油> 0，見圖3(b)，此時由于多孔材料表面含有大量的親水基團，水迅速將多孔材料表面潤濕，在毛細管力的作用下形成一層水合層，從而阻止油滴的進入，最終達到油水分離的效果。但隨著分離次數的增加，水膜易在重力的作用下發生沉降，導致持續油水分離效果不佳，見圖3(c)。

圖3 三維超浸潤多孔材料油水分離示意圖[32]

基于此，不難發現多孔材料的孔隙率、材料表面能、超浸潤穩定性是三維超浸潤多孔材料良好分離性能的關鍵因素。因此，研究制備工藝簡單、油水分離效率高、機械性能穩定、循環使用效果好且循環次數高的三維超浸潤多孔材料是目前科研工作者主要的研究熱點。

2 三維超浸潤多孔材料的類型

目前三維超浸潤多孔材料廣泛應用于油水混合物的分離，展現出很好的應用前景[34]。三維超浸潤多孔材料按照材料種類可以分為海綿[35]、泡沫[36]、氣凝膠[37]、木材[38]、多孔纖維[39]、多孔陶瓷[40]等。按照特殊浸潤性可以分為超疏水?超親油三維多孔材料[41]、超親水?超疏油三維多孔材料[42]、超疏水?超疏油三維多孔材料[43]和智能可切換三維多孔材料[44]。由于目前多孔陶瓷、多孔纖維、木材等的研究[45]較少，本節主要詳細介紹海綿、泡沫、氣凝膠這三種超浸潤三維多孔材料在油水分離中的應用。

2.1 三維超浸潤多孔海綿

目前常見的海綿由木纖維素纖維或發泡塑料聚合物制成，常見的海綿通常具有孔隙率高、質地輕、比較發達的三維多孔結構等特點。此外，海綿的制備工藝相對比較簡單，而且原料價格低廉，易于工廠量化生產。基于此，科研人員以三維多孔海綿為基底展開了一系列研究，采用水熱法[46]、浸泡法[47]、噴涂法[48]、化學氣相沉積法[49]、碳化法[50]、自組裝法[51]、冷凍干燥法[52]等修飾改性原始的聚氨酯海綿[52]、三聚氰胺海綿[53]、纖維素海綿[54]、殼聚糖海綿[55]、EcoFlex海綿[56]等三維多孔材料，并取得了一定的進展，具有廣闊的研究前景。

Tao 等[41]采用水熱法將還原性氧化石墨烯一步涂覆在三聚氰胺?甲醛海綿上，構筑了一種超疏水?超親油表面，水接觸角為162°，油接觸角為0°，制備的rGO@MF海綿可以去除自身重量90～120倍的油，而且10 次循環可以回收40%～50%的油，一定程度上改善了機械擠壓后油的回收性能，但該材料存在吸附油的能力單一和浸潤性固定等缺陷。隨著油水分離材料的不斷研究，僅僅具有固定浸潤性的材料已經遠遠不能滿足實際的需要，科研人員又將關注熱點放在了智能可切換浸潤性的探索上。Li等[57]通過動態共價烯胺鍵將乙酰乙酸纖維素海綿與不同碳鏈長度的烷基胺反應，在合適的pH 條件下成功制備了pH 響應型可切換潤濕性的多孔纖維素海綿，所得到的海綿不僅可以在親水（θ水=0°）和疏水（最大的θ水=146°）之間發生可逆地變化，同時又保持了材料良好的多孔結構。此外，該材料還具有較高的油水分離能力，油通量為1300L/(m2·h)，水通量為800L/(m2·h)，在一定程度上優于之前研究的類似pH 響應油水分離材料。科研人員的研究總能無限地貼近自然，利用自然界中廉價的原料為基材進行超浸潤改性也取得了不錯的進展。

Zhang 等[46]以梨為原料，利用簡單的水熱法制備了密度超輕的磁性碳質海綿，然后利用聚二甲基硅氧烷和磁性納米顆粒對海綿進行修飾，實現了其超疏水性、磁穩定性和優異的吸附能力三者的充分結合，修飾后的海綿對多種油都具有吸附能力，吸附量最高達自身重量的20 倍。此外，通過冷凝回流法進行可循環性測試，裝置見圖4(a)。研究表明，修飾后的海綿還具有一定的循環能力，雖然經過5次循環其對汽油、石油醚、丙酮的吸附能力呈現下降趨勢，但仍在80%以上。石油醚由于其自身超低的極性，經過5次循環吸附后，該磁性碳質海綿對石油醚仍具有較高的循環吸附能力，見圖4(b)，且5 次吸收不同的溶劑后該碳質海綿的接觸角變化不大，水接觸角最高達135°，仍具有較大的疏水能力，見圖4(c)。該磁驅動海綿在解決有機溶劑泄漏、油輪和海上鉆井平臺的緊急泄漏等問題時具有很好的應用前景，目前科研人員以海綿為基底進行修飾改性在油水分離領域已經取得一定程度的進展，雖然存在制備過程煩瑣等缺陷，但在處理含油廢水和高濃度有機溶劑時具備持久性油水分離的效果，一定程度上優于其他油水分離材料。

圖4 超疏水磁性碳質海綿的性能圖[46]

2.2 三維超浸潤多孔泡沫

泡沫的開孔一般比海綿要小，硬度相對于海綿略有增加。在眾多的多孔泡沫中，泡沫金屬的制備過程較易，成本較低，易于大量推廣和使用，常見的合成泡沫金屬的方法有五種：① 粉末冶金；② 滲流法；③ 噴射沉積法；④ 熔體發泡法；⑤ 共晶定向凝固法。近年來科研人員采用CVD[58]、溶膠?凝膠法[59]、浸涂法[60]等制備了三維多孔泡沫銅[61]、泡沫鎳[62]、碳泡沫[63]、聚氨酯泡沫[64]等三維多孔泡沫材料，在油水分離領域取得了一定的研究進展。

Zhang 等[65]通過簡單的熱致相分離方法，成功設計出一種高疏水超親油三維多孔微納米結構的乙酸纖維素（CA）單體，孔隙率高達92.1%，水接觸角147°，油接觸角為0°，該高疏水超親油乙酸纖維素單體可以選擇性地吸附油水混合物中的各種油和有機溶劑，吸附能力達到6.59～15.03g/g。此外，在不同pH（1～14）、溫度（0～70℃）和湍流環境下，該高疏水超親油纖維素單體表現出顯著的環境穩定性，但該高疏水超親油乙酸纖維素單體并未達到超疏水的狀態。Ge 等[63]通過簡單的氣相水熱（VPH）技術將鈷基金屬有機框架（Co?MOFs）納米片固定在碳泡沫（CF）骨架上（Co?MOFs/CF），在N2下進行碳化得到超疏水超親油的三維多孔Co@C/CF 碳基泡沫，水接觸角達到156°，呈現超疏水的狀態，修飾后的碳基泡沫具有較高的吸附油的能力，可以吸附自身重量85～200倍的各種溶劑和油。此外，在20 次循環重復操作后對油的吸附能力基本保持穩定，與傳統的油水分離技術相比，該材料的吸附能力和循環能力都得到了提升，但存在制備過程復雜等問題。科研人員為了簡化制備過程，又進行了一系列研究。Cao 等[64]通過一種簡單的冰模板方法，成功制備了一種新型三維多孔超疏水?超親油的人字形結構的輕型碳納米管/熱塑性聚氨酯（TPU）/環氧聚氨酯（EP）復合泡沫，水接觸角最大為135°，油接觸角為0°，孔隙率達到63%，可以吸附自身重量9～32倍的油，而且5次循環吸附后吸油能力基本穩定。雖然這種復合泡沫可以有效地分離和吸收油或有機溶劑，但是吸附油的能力很有限，循環吸附能力也有待提升。

Duan 等[16]通過物理加載和官能團的接枝，將骨髓生物炭和十八胺加載到聚氨酯泡沫表面，制備出了一種超疏水超親油泡沫，見圖5(a)，可吸附自身重量43～155倍的油。進一步研究發現，接觸角隨著骨髓和熱解溫度以及生物炭濃度的增加而降低，并且呈現疏水狀態（接觸角均大于120°），水滴在改性后的泡沫表面呈現球狀，骨髓生物炭在原始泡沫的微結構上凸起和折疊，十八胺降低了BMBC@MF的表面能，這些結構的凸起和折疊最終使泡沫由親水表面轉變為疏水表面。在實際應用方面，該材料在連續循環使用10 次后，仍能保持穩定的吸附能力，見圖5(b)。隨著接觸時間的增加，原始泡沫和修飾后的泡沫在最初達到飽和后開始趨于穩定，但原始泡沫由于吸附了大量的水，呈現出比修飾后泡沫重量大的特點，修飾后的泡沫由于疏水表面的存在，對水表現出很大的排斥作用，但對有機物卻有較好的親和力，這也進一步證明了BM300@MF 在水中的疏水性是油水分離的關鍵，見圖5(c)。總的來說，以泡沫為基底展開的研究在油水分離領域也展現出一定的優勢，但是泡沫的硬度相對比較大，所以吸附油后的材料容易失去回彈功能，很難回到原始狀態。

圖5 超疏水超親油生物炭基泡沫制備流程和性能圖[16]

2.3 三維超浸潤多孔氣凝膠

氣凝膠是指通過溶膠?凝膠法同時結合一定的干燥方式使氣體取代凝膠中液相而形成的一種納米級多孔固態材料。因氣凝膠的連續相是大量的氣體，所以通常呈現出異常輕的特點[66]，最輕的氣凝膠僅有0.16mg/m3，密度略低于空氣。常見的如纖維素氣凝膠[67]、碳系氣凝膠[68]、硅系氣凝膠[69]、金屬系氣凝膠[70]等，因其具有重量輕、絕熱、耐腐蝕、高比表面積、納米級孔洞、低密度等特點而被廣泛用作油水分離中的基底材料。

Yagoub等[71]采用簡易的冷凍干燥法成功制備了由納米多糖、幾丁質納米晶體（ChiNC）和快速氧化纖維素納米纖維（TCNF）及其衍生物陽離子瓜爾膠（CGG）復合的超疏水超親油氣凝膠。該復合氣凝膠外表面和內表面的水接觸角均大于150°，呈現出超疏水的狀態，可以有效地吸收一些烷基有機溶劑（甲苯、正己烷，21.9g/g），并且在10次循環吸附后仍可以保持高的吸附能力。該超疏水/超親油ChiNC/TCNF/CG'G 氣凝膠因其工藝簡單和原材料豐富可作為一種很有前途的吸收材料，但其吸附能力還有很大的提升空間。

Wang 等[70]通過在室溫條件下將氧化石墨烯還原與自組裝制備出三維多孔的金屬氧酸鹽復合石墨烯氣凝膠，該復合石墨烯氣凝膠對不同的有機溶劑均具有良好的吸附能力（100～210g/g）。此外，該氣凝膠還可以快速去除水中的各種有機污染物，而且經10次吸附?擠壓和吸附?擠壓?燃燒循環后，吸油量和保油率分別達到96%和90%。該金屬氧酸鹽復合石墨烯氣凝膠因其具有三維連通的多孔結構、巨大的比表面積、優異的壓縮性、彈性和潤濕性等特性，在一定程度上改善了材料的性能，但制備工藝還有一定的提升空間。Ren 等[72]通過在石墨烯氣凝膠上引入水溶性聚酰亞胺（PI）制備了超疏水?超親油的三維多孔聚酰亞胺?石墨烯氣凝膠（PI?GA）納米復合材料，見圖6(a)；可以發現該氣凝膠重量極輕，自然狀態下可以平穩地保持在蒲公英上，見圖6(b)；在PI 和GA 的協同作用下，PI?GA 納米復合材料對各種常見的有機溶劑均具有較高的吸附能力，見圖6(c)；而且經過10次循環吸附后仍能保持一定吸附油的能力，見圖6(d)。PI?GA納米復合材料作為油脂和有機溶劑的吸附材料，具有較高的吸收能力（22.94～37.44g/g），能快速高效地分離油脂。此外，由于PI?GA 具有良好的可壓縮性，使得PI?GA 具有優異的吸收性能和堅固的機械性能。研究表明，該材料廣泛適用于油污清理和化學泄漏等方面。雖然科研人員對氣凝膠的改性研究已經取得了一定進展，但我國的氣凝膠產業存在工業基礎薄弱、核心技術不過關等問題，因此對氣凝膠的研究還存在很多技術限制。

圖6 超疏水超親油聚酰亞胺?石墨烯氣凝膠（PI?GA）制備流程和其性能圖[72]

2.4 其他三維超浸潤多孔材料

其他三維超浸潤多孔材料有木材[73]、多孔纖維[74]、多孔陶瓷[75]等。木材、多孔纖維、陶瓷是近年來科研人員開始研究的新型環境材料，因其具有硬質、耐磨、耐熱、耐氧化、耐腐蝕和結構多孔等特點，被廣泛用作各種過濾和吸附材料。科研人員以此為基底展開的研究在油水分離領域也取得了不錯的研究進展。

Fu 等[76]將輕木進行脫木素處理后灌入環氧樹脂，成功制備了超疏水?超親油木材/環氧樹脂復合材料，每克木材/環氧樹脂復合材料的吸油量高達15g。由于木材具有高度取向的纖維素微原纖維和各向異性的木細胞壁，使得該材料可以從水面選擇性吸收油類。該材料與廣泛研究的納米纖維素泡沫材料或氣凝膠材料相比，表現出良好的機械性能。Zhao 等[77]通過連續的靜電紡絲將三維互連多孔聚苯乙烯纖維與疏水親油表面進行組裝，設計出一種超疏水?超親油三維多孔纖維材料，最大油吸附量高達307.24g/g。這種基于一種層次和梯度結構的超彎曲的簡單策略設計的三維超浸潤多孔纖維材料在一定程度上優于其他正常纖維吸附劑，這種優良的材料由于成本低、制造工藝簡單，可以應用于工業生產。

除此之外，三維超浸潤多孔材料在油水乳液分離中也具有一定的優勢。Shi 等[78]以廢舊紙板為原料，采用溶膠?凝膠法將鈣離子修飾到紙板表面，然后再用硬脂酸修飾改性，設計出一種三維多孔網絡結構的超疏水?超親油氣凝膠，該超疏水?超親油氣凝膠具有良好的吸油能力，最大吸附量可達到自身重量的47倍。此外，該超疏水?超親油氣凝膠還能吸收油/水乳狀液中的油滴，油/水乳液分離效率超過98.5%。Fan 等[79]采用電沉積法將蠟燭煙塵沉積到金屬橡膠毛胚上，然后再用聚二甲基硅氧烷進行低表面能修飾，設計出一種三維多孔超疏水?超親油金屬橡膠。該超疏水?超親油金屬橡膠在酸堿鹽溶液中浸泡7 天仍可以保持超疏水性。此外，該三維多孔超疏水?超親油金屬橡膠在表面被磨損后油水乳液分離效率仍高達98.6%。Han 等[80]通過浸涂還原法將石墨烯涂覆在三聚氰胺海綿表面構造納微粗糙結構，然后再用低表面能的聚二甲基硅氧烷修飾三聚氰胺表面，設計出一種三維多孔超疏水?超親油三聚氰胺海綿，該超疏水?超親油三聚氰胺海綿可高效分離水包油乳液，油水乳液分離效率高達99%以上。另外，該超疏水?超親油三聚氰胺海綿在工業和環境科學的水包油乳狀液分離中也有著廣泛的應用。

3 結語

三維超浸潤多孔材料的研究改進了傳統油水分離存在的分離效率低、材料穩定差、不具備持久性油水分離效果或者持久性油水分離效率低等缺陷。本文綜述了三維超浸潤多孔材料的研究現狀及其在油水分離領域的研究進展，從三維超浸潤多孔材料的特性、分類和油水分離原理等方面介紹了三維超浸潤多孔材料在油水分離領域的獨特優勢和存在的缺陷，為三維超浸潤多孔材料的進一步研究提供了改進方向。雖然三維超浸潤多孔材料相比于其他的油水分離材料具有孔隙率高、密度小、重量輕、比表面積大等特性，但目前的研究仍存在一些必須要解決的問題：① 設計制備的油水分離材料用于測試油水分離效果時，油水混合物比較單一，不具有代表性，實際的油水混合物成分比較復雜，混合物中各組分可能存在協同或拮抗作用；② 目前一些三維超浸潤多孔材料的合成過程存在原料二次污染嚴重、成本高、合成過程復雜等缺陷，另外，目前合成的油水分離材料在實現工廠量化生產方面存在嚴重的不足，操作不當容易引發事故造成二次污染等；③ 目前研究的三維超浸潤多孔材料往往存在機械性能差、回彈性差、循環使用效率降低明顯等問題；④ 雖然氣凝膠具有比海綿更小的密度，但其生產工藝往往比較復雜，國內的工業化生產技術也存在技術薄弱等限制性問題。基于我國目前的研究現狀，三維超浸潤多孔材料的研究將主要有以下發展趨勢。

（1）目前大多數三維超浸潤多孔材料的研究存在制備過程煩瑣等問題，因此設計一種簡單的一步合成三維超浸潤多孔材料成為一種趨勢。

（2）基于三維多孔材料的特殊三維結構，目前對三維超浸潤多孔材料內部結構穩定性的探索仍存在很大的研究空間，科研人員應加強對三維多孔材料內部作用機理的研究，為設計機械性能更好的三維多孔材料提供優化方案。

（3）實際的油水混合物成分復雜且有大量微生物存在，在測試油水分離效果時采用實際的含油廢水將微生物的協同或拮抗作用考慮進去將是一個有實際應用前景的想法。

綜上所述，三維超浸潤多孔材料在油水分離領域具有廣闊的發展空間和應用前景，設計機械性能穩定、回彈性好、具備持久分離效果的三維超浸潤多孔材料將會是未來主要的研究方向。

符號說明

f—— 接觸區下固定界面的面積分數

?p—— 侵入壓力，Pa

θ—— 粗糙表面的接觸角，（°）

θA—— 前進接觸角，（°）

θ',θ″ —— Wenzel 和Cassie 狀態粗糙表面上油滴的接觸角，（°）

θo,θw,θow—— 空氣中油滴和水滴的接觸角以及理想光滑表面上油滴的接觸角，（°）

γ—— 表面粗糙度，恒大于1

γsv,γlv,γsl—— 固液氣的表面能和固液界面能

γov,γwv,γow—— 油/空氣、水/空氣和油/水界面處的張力，N/m