浙江大學(xué)帥亞俊團(tuán)隊：廢棄蠶絲變身“仿木微通道海綿”！極速吸油+光催化凈水，一體化治理復(fù)雜污水

全球每年超產(chǎn)生的紡織廢水已超過百億噸，其中油污與可溶性有機(jī)染料往往共存，形成成分復(fù)雜的混合污水，成為當(dāng)前水環(huán)境領(lǐng)域亟待攻克的難題。目前主流的復(fù)雜污水治理技術(shù)仍存在諸多局限：傳統(tǒng)材料如金屬網(wǎng)等物理分離材料僅能實(shí)現(xiàn)污染物的物理轉(zhuǎn)移，易飽和失效且無降解能力，極易引發(fā)二次污染；TiO2等納米粉體光催化氧化技術(shù)雖降解效率高，但存在回收困難、處理低濃度污染物效率低的致命缺陷；而現(xiàn)有3D多孔載體多依賴合成高分子，不可降解且會釋放微塑料，違背了綠色可持續(xù)的治理理念。因此，亟需開發(fā)綠色高效的一體化治理新材料。近年來，天然蠶絲蛋白因其綠色、低碳、生物安全的本質(zhì)、以及原料可降解、來源可持續(xù)等特性為水處理材料的研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)冷凍干燥法制備的絲素海綿存在孔道隨機(jī)曲折、流體傳輸慢、質(zhì)地脆易破碎等問題，且很難在同一材料中同時實(shí)現(xiàn)高效的油水分離與穩(wěn)定的光催化降解功能。

有趣的是，大自然早已給出了參考答案。樹木之所以能高效地將水分從根部輸送到樹冠，一個重要原因就在于其木質(zhì)部中整齊排列的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)。受此啟發(fā)，浙江大學(xué)帥亞俊團(tuán)隊以無法加工為高品質(zhì)絲的廢棄蠶繭為核心原料，通過甘油的三重調(diào)控（增塑、界面相容、分子擁擠）結(jié)合定向冷凍鑄造技術(shù)，成功構(gòu)筑出仿木結(jié)構(gòu)的垂直定向微通道骨架，解決了純絲素海綿力學(xué)差、傳輸速度慢、無法有效吸附油污等難題。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊進(jìn)一步構(gòu)建了PDMS/TiO2納米分級涂層，使材料同時具備了超疏水選擇性吸附能力和高效光催化活性。實(shí)驗結(jié)果顯示，這種“仿木海綿”能夠在5秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)極速吸油飽和，同時對有機(jī)染料的降解效率高達(dá)98%，而且經(jīng)過5次循環(huán)使用后，性能保留率仍超過90%。這項研究為復(fù)雜污水的一體化綠色治理提供了一種全新的解決方案。相關(guān)成果“Wood-inspired waste silk sponge with aligned microchannels for rapid oil sequestration and photocatalytic water purification”發(fā)表于國際權(quán)威期刊Separation and Purification Technology。論文共同第一作者為鄭美丹、孫宇旭。

【仿生設(shè)計與制備流程】

團(tuán)隊仿生木材木質(zhì)部垂直定向、低曲折度的流體傳輸通道，以廢棄蠶繭提取的絲素蛋白為原料，經(jīng)甘油調(diào)控定向冷凍鑄造，構(gòu)筑仿木層狀微通道骨架；再通過PDMS/TiO2分級涂層修飾，最終獲得兼具極速吸油與光催化凈水功能的復(fù)合海綿，實(shí)現(xiàn)從廢棄蠶絲到功能水處理材料的高值化轉(zhuǎn)化。

圖 1 仿木微通道廢棄蠶絲海綿的仿生設(shè)計與制備示意圖

【微觀形貌與力學(xué)性能】

純絲素海綿呈現(xiàn)規(guī)整層狀結(jié)構(gòu)但孔壁脆弱，經(jīng)甘油改性后，層狀結(jié)構(gòu)形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，孔壁顯著增厚，力學(xué)性能大幅提升；經(jīng)PDMS/TiO2涂層修飾后，海綿表面形成納米級褶皺，粗糙度顯著提高。甘油在體系中發(fā)揮增塑、分子擁擠、界面相容三重作用，讓脆弱的絲素骨架變?yōu)閳怨棠陀玫姆律Y(jié)構(gòu)。

圖 2 絲素海綿的微觀形貌、力學(xué)性能與表面粗糙度表征

【化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性】

通過FTIR、XRD、Raman、XPS等表征證實(shí)，甘油調(diào)控促進(jìn)絲素蛋白形成穩(wěn)定的β-折疊結(jié)構(gòu)，PDMS與TiO2成功負(fù)載于海綿骨架；熱重分析顯示，PDMS/TiO2涂層顯著提升海綿熱穩(wěn)定性，材料結(jié)構(gòu)與組分穩(wěn)定性滿足實(shí)際使用需求。

圖 3 絲素復(fù)合海綿的化學(xué)組成與熱穩(wěn)定性分析

【表面潤濕性與油水分離性能】

純絲素海綿呈親水性，經(jīng)涂層修飾后變?yōu)槌杷H油，水接觸角達(dá)144.1°，可精準(zhǔn)排斥水、選擇性吸附油；材料可高效分離低密度浮油與高密度沉油，對環(huán)己烷等有機(jī)溶劑具備高吸附容量，實(shí)現(xiàn)不同密度油污的一站式分離處理。

圖 4 絲素海綿的潤濕性轉(zhuǎn)變與密度無關(guān)型油水分離性能

【極速吸附動力學(xué)與仿生傳輸機(jī)制】

得益于仿木定向微通道的毛細(xì)驅(qū)動效應(yīng)，甘油改性復(fù)合海綿僅需5秒即可達(dá)到吸油飽和，吸附速度遠(yuǎn)快于純絲素海綿；該結(jié)構(gòu)完美復(fù)刻木材木質(zhì)部的高效輸運(yùn)原理，為油污的快速捕獲、富集提供核心結(jié)構(gòu)支撐。

圖 5 絲素海綿的油吸附動力學(xué)與仿木流體傳輸機(jī)制

【光催化降解性能與協(xié)同機(jī)制】

模擬太陽光下，復(fù)合海綿3.5 h對羅丹明B降解率達(dá)79%；引入H2O2觸發(fā)光催化-芬頓協(xié)同反應(yīng)，降解率提升至98%；5次循環(huán)后，材料吸附容量保留92%，TiO?涂層保留率98%，結(jié)構(gòu)無坍塌。材料通過“捕獲-富集-原位降解”機(jī)制，實(shí)現(xiàn)油污吸附與有機(jī)染料降解的一體化。

圖 6 絲素復(fù)合海綿的光催化降解性能、循環(huán)穩(wěn)定性與降解機(jī)制

總結(jié)與展望

本研究以廢棄蠶絲為綠色原料，通過木材仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計與多功能化修飾，研發(fā)出力學(xué)穩(wěn)固、可降解的絲素蛋白復(fù)合海綿，成功整合極速油水分離與高效光催化降解雙功能，為油污-有機(jī)染料共存的復(fù)雜工業(yè)廢水治理提供了全新策略。

未來可進(jìn)一步優(yōu)化材料光催化效率與結(jié)構(gòu)適配性，拓展其在海上溢油、紡織印染廢水、工業(yè)有機(jī)污水等場景的實(shí)際應(yīng)用，同時推動廢棄生物質(zhì)高值化轉(zhuǎn)化，助力低碳、可持續(xù)的水環(huán)境治理技術(shù)發(fā)展。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137861