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  隨著石油開采的不斷增加和石化工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)含油污水排放和頻繁性的漏油事故帶來的含油廢水污染嚴(yán)重危害著生態(tài)環(huán)境和人類健康。在各種類型的油/水混合物中，表面活性劑穩(wěn)定的油/水乳液通常最難分離，因為它具有較高的穩(wěn)定性和較小的液滴尺寸（<20μm）。與傳統(tǒng)的油水分離材料相比，包括聚合物膜和其它多孔金屬網(wǎng)/金屬膜/棉織物等在內(nèi)的超潤濕性分離材料，在油水分離方面顯示出無與倫比的優(yōu)勢，比如分離效率高、環(huán)境友好、成本低和操作簡單等。但是，傳統(tǒng)的超潤濕性材料通常具有特定的單一潤濕性，因此無法同時分離油包水和水包油乳液或分層的重質(zhì)和輕質(zhì)油水混合物。

圖1. Janus石墨烯基氣凝膠的制備流程

  針對上述問題，開發(fā)具有高分離效率和低能耗的新型分離材料以實現(xiàn)多功能的油/水乳液分離成為當(dāng)前的一個重要研究方向。近日，青島科技大學(xué)閆業(yè)海教授、青年教師張廣法（共同通訊作者）在國際著名材料期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上發(fā)表一篇題目為“Robust Graphene/Poly(vinyl alcohol) Janus Aerogels with a Hierarchical Architecture for Highly Efficient Switchable Separation of Oil/Water Emulsions”的研究論文，報道了一種新型強健的石墨烯/聚乙烯醇Janus氣凝膠。該Janus氣凝膠通過簡單的直接冷凍成型技術(shù)和貽貝啟發(fā)的多巴胺單側(cè)沉積法制備而成（圖1），它表現(xiàn)出有趣的三維分層結(jié)構(gòu)（致密的表層和較大孔徑的內(nèi)部蜂窩網(wǎng)絡(luò)）（圖2）。此外，該新型氣凝膠還展現(xiàn)出理想穩(wěn)定的非對稱潤濕性：一側(cè)為高度疏水/超親油，另一側(cè)為超親水/超親油（圖3）。

圖2. Janus石墨烯基氣凝膠的分層結(jié)構(gòu)：不同制備階段氣凝膠的表面形貌(A1-C1)和內(nèi)部形貌（A2-C2）

圖3. Janus氣凝膠的非對稱潤濕性：(a)未改性一側(cè)表現(xiàn)為高度疏水/超親油;(b)多巴胺改性一側(cè)表現(xiàn)為超親水/超親油；(c)氣凝膠側(cè)面上的非對稱潤濕性數(shù)碼圖

  基于上述獨特的三維分層孔結(jié)構(gòu)和非對稱的超潤濕性能，通過簡單調(diào)控該Janus氣凝膠與待分離油水混合物體系的接觸面，即可實現(xiàn)對多種高度乳化的水包油和油包水乳液以及分層油/水混合物的切換分離。值得一提的是，分離過程中不需要引入外部壓力，僅在重力（<1 kPa）的驅(qū)動下便可實現(xiàn)高效的分離性能，對于模擬乳液，獲得了1306 L m^-2 h^-1的超高滲透通量和99.7％的高截留效率。該分離通量比先前報道的二維Janus聚合物/無機膜提高了1-2個數(shù)量級（圖4）。

圖4.Janus氣凝膠優(yōu)異的油水乳液切換分離性能:（a）無表面活性劑油水乳液的分離通量，（b）表面活性劑穩(wěn)定的油水乳液分離通量，（c）本研究中Janus氣凝膠與其他代表性的分離材料的比較（分離通量和驅(qū)動壓力）

  論文的第一作者為碩士生李玉珍，通訊作者為青島科技大學(xué)青年教師張廣法和閆業(yè)海教授（共同通訊）。此研究項目由國家自然科學(xué)基金（51703113），山東省自然科學(xué)基金（ZR2017BEM039）和中國博士后基金面上項目（2018M630763）等資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11277