目前，地球正面临由各种有害废物（如农业废物、塑料废物、电子废物、工业废物和建筑废物等）的积累以及温室气体水平的不断上升所引发的一系列重大环境挑战。飞灰(FA)是造成环境污染的主要废物之一。它主要由含有球形、玻璃状颗粒的细灰色粉末组成，通常是燃煤电厂的副产品。在燃烧过程中，煤中的矿物杂质，包括粘土、长石、石英和页岩，在悬浮状态下熔化，并随着废气一起排出燃烧室。随着这些熔融材料的上升，它们冷却并凝固成球形玻璃状颗粒，即飞灰。飞灰(FA)具有高比表面积和低体积密度，由空气中微小颗粒和高度有害的物质组成。此外，飞灰(FA)还含有各种酸性、有毒和天然放射性物质，包括铅、砷、汞、镉、钍和铀。尽管天然放射性元素浓度相对较低（根据美国地质调查局的数据，约为1-4 ppm），化学毒性也低于砷、硒或汞等其他成分，但管理和处置不当仍然可能导致严重的环境污染。这可能会污染水道、地下水、饮用水和空气，给人类带来严重的健康风险（包括增加癌症风险），并对野生动物和生物多样性构成威胁。飞灰(FA)含有约316种单一矿物和188种矿物群，是性质最复杂的材料之一。然而，所有这些都包含大量的二氧化硅（SiO2，非晶态和晶态）、氧化铝（Al2O3）、氧化铁（Fe2O3）和氧化钙（CaO）。由于这些亲水性氧化物（它们的表面带有羟基），飞灰本身具有亲水性。
飞灰(FA)在多个行业的应用日益增加，尤其在建筑行业，其中建筑混凝土和高速公路应用最为显著。飞灰(FA)具有火山灰特性，能在水中与石灰（氢氧化钙）反应并硬化，生成水泥基复合材料。作为一种废弃物材料，飞灰(FA)的利用和增值应尽量减少成本。因此，采用一种成本效益高的利用方法将提高其可接受性和实际适用性。在此背景下，由飞灰(FA)制成的超疏水涂层（SHCs）引起了广泛关注。
近期，韩国仁荷大学提出了一种简单、经济且可持续的制备方法，将飞灰(FA)转化为适用于各种基材的坚固超疏水材料。
将飞灰(FA)颗粒在水中用聚多巴胺(PD)改性，并通过迈克尔加成(Michael Addition) -希夫碱 (Schiff base) 反应与十八胺(ODA)共价接枝，制得水接触角（WCA）为163°(±3.1°)的超疏水飞灰(SH-FA)。将SH-FA作为涂层应用于黄麻纤维、棉织物、聚酯纤维、PU海绵等各种基材上，它们均获得优异的超疏水性，水接触角(WCA)范围为154.7°至161.2°(±3.2°)。涂覆SH-FA涂层的聚酯织物表现出优异的坚固性和耐久性，在经过70次磨损循环、75次胶带剥离和20次洗涤周期后，仍保持一致的WCA值。它还表现出优异的自清洁性，能有效排斥灰尘和多种液体。涂覆SH-FA涂层的PU海绵在分离不同的油/水混合物方面表现优异，能在几秒内快速分离有机溶剂，即使在重复使用12次之后，分离效率仍保持在98%以上。此外，SH-FA涂层将天然亲水性木材基材转化为耐用的疏水性表面(WCA：132°±3°)，有效防止快速吸水。因此，通过有效管理，飞灰有望被转化为具有广泛应用潜力的材料。使用飞灰制备超疏水涂层，可以为环境可持续性和飞灰再利用提供了一种很有前景的解决方案。
超疏水飞灰合成示意图
SH-FA超疏水性
(a) SH-FA样品上水滴的数字图像；(b)未涂覆和涂覆SH-FA涂层的黄麻纤维、棉织物、聚酯织物、PU海绵和木材表面润湿性比较。未涂覆涂层的纤维吸收水性染料，而涂覆涂层的纤维表现出超疏水性，排斥水滴并使其形成球形。
涂覆SH-FA涂层的聚酯织物自清洁能力
(a)涂层织物保留了各种液滴，包括水、可口可乐、咖啡和水性染料，可以用纸巾擦拭完全清洁，不留污渍；(b)对涂层织物加水进行除尘试验。
油水分离
(a)水/氯仿(上图)和水/己烷(下图)油水分离过程数码图片；(b)柱状图描述了海绵在第1次和第12次循环吸油后的增重情况(以倍数表示)；(c)第1次和第12次循环海绵对各种有机溶剂和油的分离效率百分比(%)。
数据来源与出处
相关研究成果发表在最新一期的《Progress in Organic Coatings》上。
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