浙理工易玲敏教授团队 CEJ：非均相润湿性策略构筑高效原油/水乳液分离膜

2024-05-01 来源：高分子科技

含油污水，尤其是原油采出水对生态环境造成巨大威胁。传统的分离膜均是基于“尺寸筛分”机制对油/水乳液进行分离，然而，由于乳液无法自发聚集成尺寸更大的液滴，该机制在分离尺寸较小且界面稳定的微小油/水乳液时较为困难。为达到更好的分离效果，膜的孔径需小于液滴的尺寸，这将导致膜的分离通量明显降低。膜破乳可使油/水乳液破乳分层为油和水，是实现高效乳液分离的有效方法。但是，单一的超亲水膜因无法与非离子表面活性剂发生相互作用，无法对其稳定的油/水乳液进行分离。

基于此，浙江理工大学易玲敏教授团队受沙漠甲虫定向运输空气中水分的启发，设计制备了非均相润湿性玻璃纤维分离膜（GFM/SSP），实现了原油/水乳液的有效破乳和分离（图1）。GFM/SSP膜表面由强亲水SB区域和弱亲水SiO₂/PVA区域组成，两区域对水和油的亲和力不同。水分在两区域的扩散渗透速率有明显差异，相比弱亲水区组分SiO₂/PVA，水团簇分子在强亲水的SB表面具有更快的润湿铺展速率（图2）。油/水乳液经此膜时，油水受力不均实现破乳，油滴被弱亲水区捕获、聚集、上浮而实现分离（图1）。

研究发现，GFM/SSP具有比单一SB或SiO₂/PVA改性膜更快的渗透速率，并且可以实现包含原油/水乳液的多种油/水乳液的有效分离，分离效率高达99.8%，分离通量达2600 L·m^-2·h^-1。课题组创新性地通过显微镜原位观察了油/水乳液的分离，明晰了油滴被纤维膜表面捕获、聚集、破乳，油滴尺寸逐渐增加、数量逐渐减小的分离机制，并通过分子动力学模拟进行了验证（图3、图4）。破乳后，小油滴受润湿性差异和Laplace压差协同驱动，逐渐聚集成尺寸更大的油滴便于分离。此外，GFM/SSP膜因表层双水化层的存在具有优异的抗重油污性能（图5）。该工作以“Heterogeneous wettability membrane for efficient demulsification and separation of oil-in-water emulsions”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。论文第一作者为浙江理工大学博士研究生徐浪，通讯作者为张佳文特聘副教授和易玲敏教授。该研究得到国家自然科学基金项目的资助。

图1. GFM/SSP油/水乳液分离示意图.

图2. (a-d) 玻璃纤维膜的水接触角及水下油接触角；(e) GFM/SSP膜的水下油滚动角；(f) GFM/SSP膜的水下油粘附性；(g) GFM/SSP膜表面润湿性差异的模拟.

图3. (a-c) GFM/SSP膜分离油/水乳液的原位观察跟踪图；(d) 分离过程中油滴变化示意图；(e) GFM/SSP膜与文献报道分离膜的油/水乳液分离性能对比图.

图4. (a) GFM/SSP膜的油/水乳液分离过程模拟；(b) 水包油乳液与膜表面的相互作用示意图；(c) 膜表面水和油分子的g(r)曲线；(d, e) 膜表面油滴受润湿性差异和Laplace压力运动的示意图.

图5. (a-d) 纤维膜的水下疏油性及自清洁性；(e) 自清洁机理示意图；(f) 落砂实验及测试后膜表面的亲水性；(g, h) 三次循环过滤测试膜的通量变化及污染指数.

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

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（责任编辑：xu）

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