全球每年超产生的纺织废水已超过百亿吨，其中油污与可溶性有机染料往往共存，形成成分复杂的混合污水，成为当前水环境领域亟待攻克的难题。目前主流的复杂污水治理技术仍存在诸多局限：传统材料如金属网等物理分离材料仅能实现污染物的物理转移，易饱和失效且无降解能力，极易引发二次污染；TiO2等纳米粉体光催化氧化技术虽降解效率高，但存在回收困难、处理低浓度污染物效率低的致命缺陷；而现有3D多孔载体多依赖合成高分子，不可降解且会释放微塑料，违背了绿色可持续的治理理念。因此，亟需开发绿色高效的一体化治理新材料。近年来，天然蚕丝蛋白因其绿色、低碳、生物安全的本质、以及原料可降解、来源可持续等特性为水处理材料的研究热点。然而，传统冷冻干燥法制备的丝素海绵存在孔道随机曲折、流体传输慢、质地脆易破碎等问题，且很难在同一材料中同时实现高效的油水分离与稳定的光催化降解功能。
有趣的是，大自然早已给出了参考答案。树木之所以能高效地将水分从根部输送到树冠，一个重要原因就在于其木质部中整齐排列的导管结构。受此启发，浙江大学帅亚俊团队以无法加工为高品质丝的废弃蚕茧为核心原料，通过甘油的三重调控（增塑、界面相容、分子拥挤）结合定向冷冻铸造技术，成功构筑出仿木结构的垂直定向微通道骨架，解决了纯丝素海绵力学差、传输速度慢、无法有效吸附油污等难题。在此基础上，团队进一步构建了PDMS/TiO2纳米分级涂层，使材料同时具备了超疏水选择性吸附能力和高效光催化活性。实验结果显示，这种“仿木海绵”能够在5秒内实现极速吸油饱和，同时对有机染料的降解效率高达98%，而且经过5次循环使用后，性能保留率仍超过90%。这项研究为复杂污水的一体化绿色治理提供了一种全新的解决方案。 相关成果“Wood-inspired waste silk sponge with aligned microchannels for rapid oil sequestration and photocatalytic water purification”发表于国际权威期刊Separation and Purification Technology。论文共同第一作者为郑美丹、孙宇旭。 【仿生设计与制备流程】 团队仿生木材木质部垂直定向、低曲折度的流体传输通道，以废弃蚕茧提取的丝素蛋白为原料，经甘油调控定向冷冻铸造，构筑仿木层状微通道骨架；再通过PDMS/TiO2分级涂层修饰，最终获得兼具极速吸油与光催化净水功能的复合海绵，实现从废弃蚕丝到功能水处理材料的高值化转化。 图 1 仿木微通道废弃蚕丝海绵的仿生设计与制备示意图 【微观形貌与力学性能】 纯丝素海绵呈现规整层状结构但孔壁脆弱，经甘油改性后，层状结构形成互联网络，孔壁显著增厚，力学性能大幅提升；经PDMS/TiO2涂层修饰后，海绵表面形成纳米级褶皱，粗糙度显著提高。甘油在体系中发挥增塑、分子拥挤、界面相容三重作用，让脆弱的丝素骨架变为坚固耐用的仿生结构。 图 2 丝素海绵的微观形貌、力学性能与表面粗糙度表征 【化学组成与结构稳定性】 通过FTIR、XRD、Raman、XPS等表征证实，甘油调控促进丝素蛋白形成稳定的β-折叠结构，PDMS与TiO2成功负载于海绵骨架；热重分析显示，PDMS/TiO2涂层显著提升海绵热稳定性，材料结构与组分稳定性满足实际使用需求。 图 3 丝素复合海绵的化学组成与热稳定性分析 【表面润湿性与油水分离性能】 纯丝素海绵呈亲水性，经涂层修饰后变为超疏水超亲油，水接触角达144.1°，可精准排斥水、选择性吸附油；材料可高效分离低密度浮油与高密度沉油，对环己烷等有机溶剂具备高吸附容量，实现不同密度油污的一站式分离处理。 图 4 丝素海绵的润湿性转变与密度无关型油水分离性能 【极速吸附动力学与仿生传输机制】 得益于仿木定向微通道的毛细驱动效应，甘油改性复合海绵仅需5秒即可达到吸油饱和，吸附速度远快于纯丝素海绵；该结构完美复刻木材木质部的高效输运原理，为油污的快速捕获、富集提供核心结构支撑。 图 5 丝素海绵的油吸附动力学与仿木流体传输机制 【光催化降解性能与协同机制】 模拟太阳光下，复合海绵3.5 h对罗丹明B降解率达79%；引入H2O2触发光催化-芬顿协同反应，降解率提升至98%；5次循环后，材料吸附容量保留92%，TiO₂涂层保留率98%，结构无坍塌。材料通过“捕获-富集-原位降解”机制，实现油污吸附与有机染料降解的一体化。 图 6 丝素复合海绵的光催化降解性能、循环稳定性与降解机制 总结与展望 本研究以废弃蚕丝为绿色原料，通过木材仿生结构设计与多功能化修饰，研发出力学稳固、可降解的丝素蛋白复合海绵，成功整合极速油水分离与高效光催化降解双功能，为油污-有机染料共存的复杂工业废水治理提供了全新策略。 未来可进一步优化材料光催化效率与结构适配性，拓展其在海上溢油、纺织印染废水、工业有机污水等场景的实际应用，同时推动废弃生物质高值化转化，助力低碳、可持续的水环境治理技术发展。
