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浙理工易玲敏教授團隊 CEJ：非均相潤濕性策略構筑高效原油/水乳液分離膜

2024-05-01 來源：高分子科技

含油污水，尤其是原油采出水對生態環境造成巨大威脅。傳統的分離膜均是基于“尺寸篩分”機制對油/水乳液進行分離，然而，由于乳液無法自發聚集成尺寸更大的液滴，該機制在分離尺寸較小且界面穩定的微小油/水乳液時較為困難。為達到更好的分離效果，膜的孔徑需小于液滴的尺寸，這將導致膜的分離通量明顯降低。膜破乳可使油/水乳液破乳分層為油和水，是實現高效乳液分離的有效方法。但是，單一的超親水膜因無法與非離子表面活性劑發生相互作用，無法對其穩定的油/水乳液進行分離。

基于此，浙江理工大學易玲敏教授團隊受沙漠甲蟲定向運輸空氣中水分的啟發，設計制備了非均相潤濕性玻璃纖維分離膜（GFM/SSP），實現了原油/水乳液的有效破乳和分離（圖1）。GFM/SSP膜表面由強親水SB區域和弱親水SiO₂/PVA區域組成，兩區域對水和油的親和力不同。水分在兩區域的擴散滲透速率有明顯差異，相比弱親水區組分SiO₂/PVA，水團簇分子在強親水的SB表面具有更快的潤濕鋪展速率（圖2）。油/水乳液經此膜時，油水受力不均實現破乳，油滴被弱親水區捕獲、聚集、上浮而實現分離（圖1）。

研究發現，GFM/SSP具有比單一SB或SiO₂/PVA改性膜更快的滲透速率，并且可以實現包含原油/水乳液的多種油/水乳液的有效分離，分離效率高達99.8%，分離通量達2600 L·m^-2·h^-1。課題組創新性地通過顯微鏡原位觀察了油/水乳液的分離，明晰了油滴被纖維膜表面捕獲、聚集、破乳，油滴尺寸逐漸增加、數量逐漸減小的分離機制，并通過分子動力學模擬進行了驗證（圖3、圖4）。破乳后，小油滴受潤濕性差異和Laplace壓差協同驅動，逐漸聚集成尺寸更大的油滴便于分離。此外，GFM/SSP膜因表層雙水化層的存在具有優異的抗重油污性能（圖5）。該工作以“Heterogeneous wettability membrane for efficient demulsification and separation of oil-in-water emulsions”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上。論文第一作者為浙江理工大學博士研究生徐浪，通訊作者為張佳文特聘副教授和易玲敏教授。該研究得到國家自然科學基金項目的資助。

圖1. GFM/SSP油/水乳液分離示意圖.

圖2. (a-d) 玻璃纖維膜的水接觸角及水下油接觸角；(e) GFM/SSP膜的水下油滾動角；(f) GFM/SSP膜的水下油粘附性；(g) GFM/SSP膜表面潤濕性差異的模擬.

圖3. (a-c) GFM/SSP膜分離油/水乳液的原位觀察跟蹤圖；(d) 分離過程中油滴變化示意圖；(e) GFM/SSP膜與文獻報道分離膜的油/水乳液分離性能對比圖.

圖4. (a) GFM/SSP膜的油/水乳液分離過程模擬；(b) 水包油乳液與膜表面的相互作用示意圖；(c) 膜表面水和油分子的g(r)曲線；(d, e) 膜表面油滴受潤濕性差異和Laplace壓力運動的示意圖.

圖5. (a-d) 纖維膜的水下疏油性及自清潔性；(e) 自清潔機理示意圖；(f) 落砂實驗及測試后膜表面的親水性；(g, h) 三次循環過濾測試膜的通量變化及污染指數.

論文全文（DOI）：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151466

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（責任編輯：xu）

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