本研究的主要作者包括张凌月、汤初阳、唐楚、王慧静、王建超、李瑞英、冯浩鹏及岳东北。研究单位包括清华大学环境学院、香港大学土木工程系以及中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院。该研究发表于材料科学领域期刊 *Small*，文章在线发表日期为2023年9月20日，卷次为2024年第20卷，文献编号为2305807，可通过DOI编号10.1002/smll.202305807进行访问。研究受到国家重点研发计划（项目号：2018YFC1901405）资助。

该研究属于环境功能材料与废水处理交叉领域。研究背景是，表面活性剂类污染物（Surfactant-like contaminants, SLCs）因其两亲性结构、生物毒性、增溶作用以及在水体中的持久性而受到广泛关注。传统处理方法如活性污泥法和纳滤虽然去除率较高，但选择性差，受复杂水体中竞争效应和无序堆积影响显著，且对痕量SLCs的定向去除存在困难。已有超疏水材料在油水分离领域表现出优异性能，但由于纳米粉末材料难以通过常规接触角测量准确表征其疏水性，导致超疏水纳米颗粒在污水中选择性去除SLCs的潜力长期未被充分探索。因此，本研究旨在阐明超疏水纳米颗粒与污染物之间的相互作用机制，实现复杂废水基质中SLCs的高效选择性去除。

研究流程主要分为制备与表征、吸附行为与机理探究以及实际应用验证三个层次。首先，通过调控氧化聚合反应制备聚多巴胺纳米球（polydopamine nanospheres, SPDA），并利用迈克尔加成反应（Michael addition reaction）将十八胺引入其表面，得到超疏水聚多巴胺纳米球（superhydrophobic polydopamine nanospheres, S-SPDA）。随后利用多巴胺自聚合与自粘附特性，将S-SPDA涂覆于聚氨酯海绵（polyurethane sponge, PU）表面，制得复合海绵S-SPDA-PU。在表征方法上，除扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和氮气吸附-脱附等方法外，本研究创新性地引入低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR）技术，以水分子为探针，通过横向弛豫时间（T₂）定量表征粉末材料的表面疏水性和水分分布。结果表明，SPDA和S-SPDA的T₂分别为950.543 ms和2409.197 ms；多组分反演谱显示SPDA在约1–80 ms的低弛豫时间区域存在连续信号，而S-SPDA在亚纳米限域和纳米限域区域的水分子数量显著减少，说明超疏水改性后表面对水分子的亲和力明显降低。这一方法有效规避了粉末压片对接触角测量的干扰，为本研究的关键技术亮点之一。

在吸附实验中，选取十二烷基苯磺酸钠（sodium dodecyl benzene sulfonate, SDBS）作为典型阴离子表面活性剂进行动力学和等温吸附研究。拟二级动力学模型拟合结果显示，S-SPDA在5分钟内即可达到50%以上的平衡吸附量，初始吸附速率为2.88 mg/(g·min)，而SPDA仅为0.23 mg/(g·min)，提高约十倍。颗粒内扩散模型拟合发现，SDBS在S-SPDA表面的吸附分为液膜扩散和颗粒内扩散两个阶段，超疏水改性显著降低了传质阻力和空间位阻。等温吸附结果符合Freundlich模型，S-SPDA对SDBS的Freundlich常数Kf由SPDA的2.03增加至10.23，Langmuir拟合最大吸附容量由14.11 mg/g提升至146.97 mg/g。这些结果表明，尽管超疏水改性使得BET比表面积略有下降，但由于表面能降低带来的疏水相互作用增强，仍然主导了S-SPDA对SLCs的吸附增强效应。

在机理探究中，研究系统考察了pH对ζ电位及去除率的影响，发现S-SPDA等电点约为4.73，略低于SPDA的5.00。在pH升高时，SPDA和S-SPDA对SDBS的去除率均下降，但S-SPDA下降幅度较小；在pH 12时S-SPDA仍保持74.33%的去除率，表明静电排斥和氢键作用的削弱并未显著影响其吸附性能。通过对比含苯环的SDBS与无苯环的十二烷基磺酸钠（SDLS）、辛烷磺酸钠（SOS）以及全氟辛烷磺酸钾（PFOS）的吸附行为，发现S-SPDA对SDBS、SDLS、SOS和PFOS的最大吸附容量分别为相应数值，且随污染物logP值增大，S-SPDA与SPDA之间的吸附差异进一步扩大。XPS和SEM结果证明吸附过程以物理吸附为主，材料形貌和官能团未发生显著变化。上述结果说明，超疏水表面通过增强疏水相互作用实现了对SLCs的高亲和与高选择性吸附，并降低了对静电与氢键等作用力的依赖。

在实际废水应用部分，研究从六个不同填埋龄的城市固体废物（municipal solid waste, MSW）渗滤液处理厂采集水样，考察S-SPDA-PU的选择性去除性能。接触角测试显示，原PU海绵接触角为120°，涂覆SPDA后降至55°，而S-SPDA-PU达到155°，具备超疏水特性。在强酸、强碱、高盐、200°C和−18°C等极端条件下保持稳定。在复杂渗滤液中，尽管总有机碳（TOC）浓度高达3000–10000 mg/L、总溶解固体浓度达10000–30000 mg/L，且多数SLCs浓度低于0.050 mg/L，S-SPDA-PU仍可对阴离子、阳离子和非离子型SLCs实现平均69.28%的去除率，最高达到81.88%，展现了在极复杂基质中对痕量SLCs的选择性吸附能力。解吸实验以乙醇为例，解吸率达到90.27%；经过四次循环使用后，吸附率仅下降1.50%，解吸率下降2.28%。此外，经过10000次机械挤压后，S-SPDA-PU高度保持为2 cm，水接触角仍为153°，说明涂层还提高了PU的机械稳定性。

本研究的结论指出，超疏水表面修饰能够有效增强纳米材料对SLCs的吸附亲和性和选择性，其核心机制在于疏水相互作用的主导地位。利用LF-NMR定量粉末纳米颗粒表面疏水性的方法为相关材料研究提供了新工具。通过与PU海绵复合，S-SPDA-PU克服了粉末材料回收困难的问题，并展示了作为复杂废水中痕量SLCs预处理工艺的应用潜力。本研究的科学价值在于填补了超疏水纳米颗粒在选择性去除SLCs方面机制研究的空白，并提出了一种可扩展的粉末材料表面疏水性定量表征方法；应用价值在于为高污染复杂废水中痕量两亲性污染物的定向去除提供了新的材料策略和工艺思路。研究的亮点包括：LF-NMR用于粉末纳米颗粒疏水性定量表征的创新方法、超疏水改性对SLCs吸附速率和容量近十倍的提升、在真实渗滤液基质中对痕量SLCs的选择性去除能力，以及自粘附涂层带来的长期稳定性和可重复使用性能。