武汉轻工大学王易在《Separation and Purification Technology》发表脱水材料研究成果

石油作为关键战略资源，其性能常因微量水分的存在而急剧下降，带来诸多安全隐患。以对含水量有严格要求的变压器用矿物油为例，本研究制备了一种氨基化生物炭和共价有机框架（COFs）复合材料。结果表明，该复合材料对微量水分的最大吸附效率可达81.61%。该材料拓展了COFs复合材料的新功能，也为油净化提供了一种新策略。

痕量水分对石油产品质量造成尤为严重的损害。绝缘油中的痕量水分会显著增加其介电损耗并急剧降低绝缘性能，损坏核心高压电力设备，甚至引发火灾和爆炸等严重安全事故。目前，处理绝缘油中痕量水分的主要方法包括真空过滤、膜分离和吸附。其中二氧化硅、氧化铝和生物炭是常用的吸附剂，这些材料在吸附选择性方面存在一定的局限性。席夫碱合成的COFs作为一种多孔纳米材料，含有氨基和亚胺基团等功能结构，这些基团作为氢键供体和受体，使框架能够与水分子形成广泛的氢键网络，使得COFs表面变得高度亲水。生物炭因结构稳定、低成本等是一种理想载体。利用生物炭材料的刚性碳结构，可以减少这种纳米材料的聚集。两种组分之间的协同作用将提高材料的活性，显著改善痕量水分的去除效果。

将生物炭先以四乙烯五胺70℃回流8h氨基化，再与1,3,5-三（4-氨基苯基）苯（TPB）、2,5-二羟基对苯二甲醛（DHTA）和乙酸-水溶液混合后室温静置72h，抽滤洗涤并60℃真空干燥，制得NBC@COFs复合材料。SEM图像显示，生物炭表面粗糙多孔且布满孔隙，为COFs提供了充足锚定位。复合后大量COFs均匀包覆于生物炭骨架，COFs球形形貌完好、生物炭刚性结构无损，证实室温溶剂热法实现了高负载且保持材料完整。FT-IR 在 1632 cm^-1 捕捉到亚胺键（C=N）特征峰，1396 cm^-1 处 C-N 振动同步增强，证实 COFs 已通过胺化界面成功锚定于生物炭表面XPS结果证实，复合后 COFs 的亚胺键和氨基特征峰完好保留，碳骨架与氧官能团信号稳定，表明其化学结构在生物炭表面未受破坏，为高效吸附提供活性位点保障。

实验结果显示，NBC@COFs 在 180 min 内对 300 μg/mL 微量水的去除率高达 81.6%，显著优于生物炭及纯COFs。当投加量为0.2 mg/mL、COFs与氨基化生物炭质量比为 1 时性能最佳，60 min 即可将油中水含量降至 35 μg/mL 以下，满足 GB/T 7600-2014 绝缘油标准。性能的提升主要归因于材料上富含的氨基和亚胺基团、生物炭表面的多孔结构，以及COFs的负载方法，这些综合因素使得NBC@COFs材料在微量水分去除性能和效率方面更优。

DFT 计算揭示，COFs 骨架边缘的氨基与亚胺键构成最高占据分子轨道（HOMO，－4.52 eV），具有强电子供体特性；而水分子的氧原子区域集中了最低未占轨道（LUMO，+0.86 eV），成为天然电子受体。两者能量差驱动电荷从 COFs 的 HOMO 向水的 LUMO 转移，形成供-受体耦合，同时静电势（ESP）图显示带负电的氧原子与富电子的氨基/亚胺键产生互补静电吸引。双重电子作用协同降低吸附能至 －0.57 eV，使水分子在材料表面实现快速、选择性的化学锚定，为微量水分的深度脱除提供了分子层面的理论支撑。

本研究通过席夫碱反应合成的COFs材料接枝于氨基化生物炭表面，构建出新型复合材料NBC@COFs。该复合材料被应用于工业废油中微量水分的去除。结果显示，NBC@COFs在180分钟内最大脱水率达到81.61%。通过吸附能计算，还深入探讨了材料的吸附机理。COFs结构中的亚胺键和氨基作为亲水位点，能高效捕获水分子。同时，生物炭通过其多孔结构提供了丰富的亲水基团和良好的结构刚性，从而增强了材料的稳定性。在低剂量下，NCB@COFs具有良好的脱水性能，在乳化油脱水再生中具有广阔的应用前景。

相关研究成果近日以“Investigation of adsorption performance and mechanism of aminated biochar-COFs composite for efficient trace water removal in oil”的研究论文发表在国际期刊《Separation and Purification Technology》，武汉轻工大学王易为通讯作者。相关链接：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.136520