全球頻發的水面溢油事故和生產生活中含油廢水的大量排放導致水體油汙染日益嚴重，對生態環境和人體健康構成了極大的威脅。因而，如何實現對油/水混合物的高效分離已成為亟待解決的熱點問題。油類汙染物在水體中主要以浮油、遊離態油滴和乳化油滴的形式存在，其中乳化態油/水混合物由於油滴粒徑小（< 20μm），難以聚結等問題，傳統的重力分離方法已經無法實現有效分離。而化學絮凝、高壓電破乳等方法存在二次汙染和高能耗等缺陷，難以大規模應用。近年來，膜分離技術因具有操作簡單、能耗低、分離效率高且無二次汙染等優點，在含油廢水處理領域表現出巨大的應用前景。然而，現有分離膜材料多采用親油性的聚合物經相分離方法制備得到，膜材料孔隙率較低，且表面抗油粘附性能差，在分離油/水乳液過程中極易被油滴汙染，導致分離通量急劇降低，極大的限制了其應用性能。因此，如何進一步提升材料的分離通量和抗汙染性能仍是目前油/水分離膜材料研究的重點和難點。
近日，東華大學丁彬教授課題組通過結合靜電紡絲技術與靜電噴霧技術，以親水改性後的聚丙烯腈作為原料，首次在常規靜電紡纖維膜表面構建了具有仿荷葉表面微/納結構的超潤溼性納米纖維皮層（圖一），研究了膜材料表面物理結構、聚合物本體潤溼性對膜材料水下疏油性能的影響規律，結果證實所得膜材料在水下對油滴表現出Cassie態潤溼效應：高親水性的聚合物本體、高孔隙率的皮層和多級粗糙結構在膜表面形成穩定的水化層，有效減少了油滴與膜本體的接觸面積；因而，所得複合膜材料具有優異的超親水和水下超疏油性能(水下油接觸角可達162°，滾動角< 3°) （圖二）｡此外，不同於傳統相分離膜材料緻密的皮層，其所製備的納米纖維分離膜材料具有超薄、亞微米孔徑皮層和高孔隙率特性，可在高效攔截乳化油滴的同時保持良好的水透過性。該膜對高度乳化的水包油型乳液表現出優異的分離性能，其僅在乳液本身重力作用下(~1kPa)即可實現對油/水乳液的快速高效分離（分離通量可達到5152 L m-2 h-1，分離效率為 99.93%），因而在降低能耗方面展現出巨大的優勢（圖三、圖四）｡此外，憑藉其優異的防油抗汙染性能，所得分離膜材料在長週期分離過程中表現出良好的穩定性，有望應用於大規模含油廢水淨化領域（圖四）。該研究對於設計製備高效低能耗油/水乳液分離膜材料具有重要指導意義。
▲ 圖一，（a-d）仿荷葉表面微/納結構納米纖維皮層構築及表徵，（e，f）超親水/水下超疏油性能展示，（g）複合膜拉伸力學性能及實物展示
▲ 圖二，(a-c) 膜材料表面水下疏油潤溼性規律研究, （d）水下超疏油機理示意圖
▲ 圖三，（a）分離膜對無表面活性劑油/水乳液的重力驅動分離性能，（b）不同驅動壓力下膜對含表面活性劑乳液的分離性能，（c）分離前後乳液的光學顯微鏡圖片，（d）油/水乳液分離過程示意圖
圖四，（a）實驗採用的油水分離裝置，（b）含表面活性劑的乳液自重分離和壓力驅動分離性能，（c）與現有油/水分離膜性能對比，（d）循環分離性能展示
相關研究工作近期以“Biomimetic and Superwettable Nanofibrous Skins for Highly Efficient Separation of Oil-in-Water Emulsions”為題發表在Advanced Functional Materials雜誌上，文章第一作者是東華大學博士生葛建龍 ，通訊作者是丁彬教授。
原文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201705051/epdf
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