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  在工業加工、石油開采及金屬清洗等過程中，會產生大量穩定的水包油乳液。與普通油水混合物不同，這類乳液中油滴尺寸通常處于微米甚至納米尺度，并在表面活性劑的穩定作用下長期分散，使得傳統基于孔徑篩分的分離膜面臨兩大難題：小尺寸油滴難以截留，同時膜污染嚴重、通量快速下降。如何在保證高分離效率的同時實現高通量，成為含油廢水處理領域的重要科學與工程問題。

  針對這一挑戰，哈爾濱工業大學潘昀路教授、李斐然副教授團隊提出了一種新的設計思路：不再僅依賴“篩分”，而是通過電荷誘導破乳效應與孔徑梯度結構的協同作用進行。

  2026年1月28日，相關成果以“Glomerulus Inspired Charged Nanofibrous Membrane for High-efficient Micro/Nano-emulsion Separation”為題發表在《Advanced Functional Materials》。

  該研究從生物腎小球的過濾機制獲得啟發，構建了一種具有孔徑梯度結構與混合電荷表面的多層納米纖維膜。通過調節靜電紡絲液濃度，制備出孔徑沿膜厚方向逐級變化的梯度結構，使液滴在傳輸過程中經歷逐層篩分并在膜內部破乳。在纖維表面引入PEO水凝膠層和PEI–PA帶電涂層，可形成穩定水化層并賦予膜表面混合電荷特性。

  這一結構的關鍵在于其界面作用能力。混合電荷層能夠與乳液中常見的陰離子表面活性劑（如SDS）產生強靜電相互作用，誘導油滴界面結構失穩，促使小液滴在膜內部發生碰撞與聚結，實現膜內破乳。因此，即使油滴尺寸遠小于膜孔徑，也能夠被有效截留并分離。

  實驗結果表明，該腎小球仿生膜對多種水包油乳液均表現出優異性能。對于粒徑約137 nm的水包正辛烷乳液和約20 nm的水包十二烷乳液，分離效率仍可達到99%以上，同時分離通量較傳統單孔徑膜提高約2.5倍。膜材料還表現出超親水和水下超疏油特性，有效降低了油污附著，具備良好的抗污染能力。

  為了進一步揭示其作用機理，研究結合多尺度模擬分析。密度泛函理論（DFT）計算表明，PEI–PA電荷層與SDS之間存在顯著的強相互作用，證實了電荷誘導界面失穩的可行性；計算流體力學（CFD）結果則顯示，梯度孔徑結構能夠優化膜內流場分布，顯著提高液滴的碰撞與聚結概率。兩者共同實現了電荷破乳與結構篩分的協同強化機制。

圖1 （A）腎小球仿生多層膜的設計原理示意圖；（B）納米纖維膜的制備過程；（C）多層梯度膜膜的照片和掃描電鏡圖像

圖2 （A）不同濃度的不帶電纖維膜（PP）和帶電纖維膜（PPEA）的平均孔徑分布；（B）XPS全譜分析；（C）PP和PPEA膜的高分辨率O1s XPS能譜；（E）FTIR 紅外光譜；（F）PP和PPEA膜的表面電勢對比；（G）PPEA膜在空氣中和水下環境的水/油接觸角照片；（H）PPEA膜的水下油接觸角和油下水接觸角；（I）水下油滴滑動與脫附的時序圖像

圖3 （A）水包正辛烷乳液的滲透通量與濾液含油量對比；（B）GIM膜對七種不同油類水包油乳液的分離通量與效率表現；（C–D）正己烷、正辛烷和十二烷乳液的液滴粒徑分布及Zeta電位；（E）PP-10、MPP、PPEA-10以及GIM膜在處理正己烷、正辛烷和十二烷乳液時的分離通量對比；（F）不同乳液的液滴尺寸與分離效率之間的相關性。

圖4（A）乳液分離機制的示意圖；（B）水和油在多層膜中傳質過程的受力分析；（C）基于DFT（密度泛函理論）計算的SDS表面活性劑與PEO表面及PEI–PA涂層之間相互作用力的對比；（D）使用小孔徑、梯度孔徑和大孔徑納米纖維膜進行油水乳液分離的CFD（計算流體力學）模擬圖及流線分布。

  該工作突破了傳統分離膜單純依賴尺寸篩分的設計思路，提出了一種“界面電荷調控+結構尺度調控”協同的新策略，在實現高效率的同時顯著提升通量，為高穩定微納乳液的處理提供了新的設計理念。該策略在工業含油廢水處理、資源回收及環境治理等領域具有良好的應用前景。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202521336