西南林业大学高伟团队J Environ Chem Eng：“腐朽”的名义——微生物降解法制备木质油水分离材料研究

近日，西南林业大学高伟教授团队在J Environ Chem Eng（JCR一区，中科院二区TOP期刊，IF=7.7）发表题为“By the force of decay: a green strategy to fabricate white rot fungal degraded wood for sustainable oil/water separation”的研究论文。

在“工业4.0”和国家“双碳”战略背景下，先进制造业的快速发展对绿色、高效、环保的油水分离材料和技术提出了迫切需求。以木材为基材，结合光催化技术，开发绿色多功能油水分离材料成为了一种备受关注的新型解决方案。本研究以轻木为主要原料，采用两种白腐菌：彩绒革盖菌Coriolus versicolor（Cv）和木蹄层孔菌Fomes fomentarius（Ff），选择性降解木质素制备轻木骨架结构，再进行纳米氧化亚铜（Cu2O）、酚醛树脂（PF）和硬脂酸（STA）复合改性，赋予其油水分离和光催化降解有机染料双功能。本研究以微生物法选择性降解木质素，替代了传统的化学脱木质素法，改性过程具有绿色、低能耗、环境友好等优势。

图1制备具有油水分离功能的超疏水改性木材的流程图

图2显示轻木样品的微观形态。轻木素材具有多孔结构，由横截面上的木材细胞壁构成蜂窝状结构，木材细胞壁在生长过程中形成了大量通道和微孔，为液体通量和扩散提供了机会，最终实现改性轻木的高油吸附能力。在经过真菌腐朽或STA@PF@Cu2O改性后，轻木的多孔结构得到了很好的保持。特别地，菌丝密集地嵌入在细胞壁和木材表面，有助于纳米铜化合物的固着。EDX图谱显示，已成功地将倒角八面体形状的纳米铜化合物负载到改性轻木表面，构建了新的纳米/微米尺度的粗糙结构，有助于实现油水分离功能。

图2轻木素材（a1-3）,Cv脱木质素轻木(b1−3), Cv腐朽后的STA@PF@Cu2O改性轻木(c1-3)，Ff脱木质素轻木(d1−3), Ff腐朽后的STA@PF@Cu2O改性轻木(e1-3)

图3改性轻木对10种有机溶剂和油的吸油能力（a）以及对氯仿的吸油循环能力（b）。Cv降解后STA@PF@Cu2O改性轻木对选定的7种有机溶剂的吸油循环次数（c），以及其在吸油过程前后的外观变化（d）。

图3结果表明，改性轻木对氯仿的最高吸附量为8.97 g/g，在84次重复吸附过程后从最初的5.69提高到8.97 g/g。改性轻木在重复吸收后吸油能力的提高可以归因于以下几个原因：

（1）微观结构变化：重复的吸收和脱附循环可能会改变木材的细胞壁结构，最终增加其孔隙率，从而使木材能够容纳并保留更大的体积以吸收油类和有机溶剂。

（2）吸附滞后效应：木材被认为表现出吸附滞后效应，即在脱附过程中的平衡含水量高于吸收过程中的平衡含水量。这种现象可能导致在多次吸收循环后，木材的吸收和保持液体的能力增加。

（3）这可能是由于真菌腐朽后在木材细胞腔内残留的菌丝增加了比表面积。菌丝的存在扩大了木材细胞腔的有效表面积，提供了更多的吸附位置，从而增强了改性木材的吸附能力。

图4改性轻木对氯仿/水混合物的过滤过程（a），改性轻木对氯仿、二氯甲烷和二甲基亚砜与水的2:1混合物的过滤效率（b），以及对2:1比例氯仿/水混合物的过滤循环效率（c）

改性轻木对氯仿、二氯甲烷和二甲基亚砜的分离效率达到了96.0%以上，表现出高选择性和优异的分离效率。改性轻木经过90次重复循环后，分离效率仍保持在98.23%，具有潜在的长期实际应用价值。（图4）

高伟教授为论文通讯作者，2021级硕士研究生杨阳和2022级硕士研究生戴佳慧为论文共同第一作者，其他作者包括材料与化学工程学院硕士研究生程睿凤、姜海秋以及学院万辉副教授、杨龙研究员、杜官本教授和北京林业大学高强教授。该研究得到了云南省应用基础研究重点项目（202201AS070027），国家自然科学基金（32260360），云南省“兴滇英才”计划青年拔尖人才专项（80201402）资助。

【通讯作者简介】

高伟教授团队近年来致力于木质先进功能材料基础研究和应用开发，在实木锯材、工程木质复合材料表面超疏水、自清洁、抗紫外、抗老化以及木质油水分离材料、光催化降解有机染料、甲醛和VOCs等木质功能材料领域开展了一系列研究，已在Chem Eng J、ACS Sustain Chem Eng、Appl Surf Sci、Ind Crop Prod、J Environ Manage、Holzforschung、Wood Sci Technol等SCI期刊发表学术论文60余篇，部分研究成果已初步开始在企业转化，培养了多名硕士研究生获得国家留学基金委和国外高水平大学全额奖学金攻读博士学位。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.112774

来源：高分子科学前沿

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