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  人類社會發(fā)展離不開石油資源，然而在工業(yè)生產和日常生活過程中，油類化工物質的泄露和含油污水的大量排放易導致嚴重的水體污染，破壞水體生態(tài)平衡甚至威脅人類健康。如何快速實現(xiàn)油/水混合物的高效分離已經成為全球社會關注的熱點問題。傳統(tǒng)的重力分離和吸附等方法可以在一定程度上去除水體中不穩(wěn)定的游離態(tài)油滴和浮油，但難以有效去除穩(wěn)定的乳化態(tài)油滴。化學絮凝、高壓電破乳等方法雖然可以實現(xiàn)破乳作用，但仍存在二次污染和能耗高等問題，難以大規(guī)模應用于含油污水處理領域。

  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污染等優(yōu)點，在含油廢水處理領域表現(xiàn)出巨大的應用前景。然而，現(xiàn)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污染，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污染性能仍是目前油/水分離膜材料研究的重要課題。

  針對這一問題，東華大學丁彬教授帶領的研究團隊致力于將靜電紡納米纖維材料應用于油/水分離領域。他們利用納米纖維膜孔隙率高，連通性好且易于功能化的優(yōu)點，通過協(xié)同調控納米纖維材料孔道結構與表面潤濕性，成功制備出一系列具有高分離通量和高分離效率的油/水分離材料（ACS Nano 2015, 9, 3791，J. Mater. Chem. A 2017, 5, 497）。近期，材料領域權威期刊《Advanced Functional Materials》在線刊登了他們的最新研究成果（Biomimetic and Superwettable Nanofibrous Skins for Highly Efficient Separation of Oil-in-Water Emulsions），該論文的第一作者是東華大學的博士生葛建龍，通訊作者是丁彬教授。

  在此項研究中，課題組研究人員在他們的前期研究基礎上，將靜電紡絲技術與靜電噴霧技術相結合，以改性聚丙烯腈作為本體材料，通過精細調控電紡過程參數(shù)，首次在常規(guī)靜電紡纖維膜表面構建了具有仿荷葉表面微/納結構的超潤濕性納米纖維皮層。他們進一步研究了膜材料表面物理結構、聚合物本體潤濕性對膜材料水下疏油性能的影響規(guī)律，結果證實所得膜材料在水下對油滴表現(xiàn)出Cassie態(tài)潤濕效應：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(wěn)定的水化層，有效減少了油滴與膜本體的接觸面積；通過協(xié)同優(yōu)化分離膜皮層微/納多級結構與聚合物本體親水性，所得復合膜材料具有優(yōu)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1 ，（a-d）仿荷葉表面微/納結構納米纖維皮層構筑及表征，（e，f）超親水/水下超疏油性能展示，（g）復合膜拉伸力學性能及實物展示

圖2，(a-c) 膜材料表面水下疏油潤濕性規(guī)律研究, （d）水下超疏油機理示意圖

  此外，不同于傳統(tǒng)相分離膜材料致密的皮層結構，他們所制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。因而，該膜材料對高度乳化的水包油型乳液表現(xiàn)出優(yōu)異的分離性能，其在極低的驅動壓力下（乳液本身重力作用 ~1kPa）即可實現(xiàn)對油/水乳液的快速高效分離（分離通量可達到5152L m-2 h-1，分離效率為 99.93%），在降低能耗油/水分離應用方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。與此同時，憑借其優(yōu)異的防油抗污染性能，該分離膜材料在長周期分離過程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，有望應用于大規(guī)模含油廢水凈化領域。

圖3，（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）分離前后乳液的光學顯微鏡圖片，（d）油/水乳液分離過程示意圖

圖4，（a）實驗采用的油水分離裝置，（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(xiàn)有油/水分離膜性能對比，（d）循環(huán)分離性能展示

  總之，丁彬教授研究團隊采用了一種有效易行的方法制備出具有優(yōu)異油/水乳液分離性能的新型納米纖維分離膜材料，且該材料具有一定的規(guī)模化制備潛力。該項研究可為高效低能耗油/水乳液分離膜材料的設計制備提供指導和借鑒。

  該研究工作得到了國家自然科學基金，上海市科委基礎研究重點項目的支持。

  原文鏈接：

  http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nn506633b

  http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/ta/c6ta07652a

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201705051/epdf

  下載：Biomimetic and Superwettable Nanofibrous Skins for Highly Efficient Separation of Oil-in-Water Emulsions