2022年1月22日我院2018级本科生张欣的研究论文“Fabrication of recyclable, superhydrophobic-superoleophilic quartz sand by facile two-step modification for oil-water separation”发表在环境工程类SCI期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》（中科院2区，IF=7.968）。张欣为论文第一作者，胡传波副教授为论文第一通讯作者、李廷真教授为论文共同通讯作者。本研究获得国家自然科学基金（51773173）、重庆市自然科学基金（cstc2020jcyj-msxmX0826，cstc2021jcyj-msxmX1139）、重庆市教委科学技术研究项目（KJQN201901223，KJQN201901228，KJQN202001234）及材料腐蚀与防护四川省重点实验室开放基金（2021CL15）的资助。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.107019

超疏水表面一般表现为水接触角大于150°，滑动角小于10°，超疏水表面的设计一般采用构建微纳米结构和利用低表面能材料改性这两种关键方法。目前，超疏水表面在防腐、防冻、自洁、油水分离、减阻、防污等方面已有着广泛的应用。而随着石油泄漏和有机物泄漏的频率增高，油水分离研究在超疏水领域显得愈发重要。本研究采用两步改性方法制备了具有超疏水-超亲油性能的功能性石英砂。首先，利用长链脂肪酸MA对纳米TiO₂进行改性，得到了低表面能的复合材料（MATC）；随后，使用MATC对石英砂进行改性，构建了表面能较低的微纳米结构，这种结构可以使亲水-亲油的石英砂转变为超疏水-超亲油的功能性石英砂（MATC@sand），使之成功应用于油水分离领域。

图1 功能性石英砂制备及各种应用示意图

研究发现，石英砂与MATC反应后，其部分亲水‒OH被消耗转化成Ti‒O‒Si，使MATC@sand具有粗糙的分层微纳米结构。MATC@sand的水接触角为165°、油接触角为0，在0.327秒内可完全吸收正十六烷。

图2 原始石英砂（a）和MATC@sand（b）上正十六烷与水滴的光学图像；MATC@sand在水平（c）和倾斜（d）下的水接触角图像；（e-f）MATC@sand上正十六烷的接触角图像

油水分离测试发现，MATC@sand对食用油-水、正十六烷-水和氯仿-水的分离效率分别为96.32%、97.48%和89.25%。以氯仿-水为例，进行5次油水分离循环，分离效率均在85%以上，证明MATC@sand具有长效耐久性。此外，MATC@sand在强酸和中强碱的腐蚀溶液中也能保持超疏水性，表现出良好的防腐性能。

图3 （a）MATC@sand的油水分离示意图；（b-e）MATC@sand油水分离器分离氯仿-水混合物的过程；酸性和碱性液滴在MATC@sand上0分钟（f）和20分钟后（g）的光学照片、接触角图像以及接触角值（h）

综上所述，首先用MA改性纳米TiO₂得到疏水性MATC，然后再用MATC改性原始石英砂制备出超疏水-超亲油的MATC@sand，这是一条高效的改性路线。油水分离试验表明，MATC@sand能有效分离重油-水分层液和吸附轻油-水分层液表面的油，并且具有良好的可循环性。此外，MATC@sand经过砂纸磨损和超声波破坏后，依旧可以回收利用，证明了其稳定的机械耐久性。除了优异的耐久性和油水分离可循环利用性外，MATC@sand还表现出良好的热稳定性、自清洁性和防腐蚀性能，为在实际条件下的油污水分离提供了广阔的应用前景。