浙江大学郑强教授、杜淼副教授研究团队在孔径可调的三维多尺度超亲水海绵实现快速油水分离的研究取得新进展

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水体油污染已成为一项世界性的难题，严重影响人类的生态环境和经济发展。传统的分离手段仍存在成本高、分离效率低、无法分离油水乳液等问题。当前不断发展的膜分离技术可有效解决上述问题，然而较小的孔径及较短的渗透通道导致膜在分离过程中易被油污染，令通量和分离效率明显下降。如何开发得到一种能实现快速油水分离的新型材料一直是该领域的研究热点。

浙江大学高分子科学与工程学系郑强教授、杜淼副教授研究团队根据不同的油水混合体系，结合海绵基板、静电纺丝及水热处理，设计制备出层次丰富的从几百mm、几十mm、几mm到几十nm的复合多孔材料，满足油水高分离效率前提下，获得了高水通量，实现了对不同体系分离通量和分离效率的最佳平衡。该成果于2017年10月在权威期刊《先进功能材料》上发表（Advanced Functional Materials 2017, 41: 1704293(1-9), DOI: 10.1002/adfm.201704293），博士研究生吕维扬为论文第一作者。

孔径和润湿性的调控是设计三维分离材料的关键要素。自下而上合成法和利用商用三维材料并经后期改性是两种常用的制备手段。然而前者存在成本高、难以规模化以及机械性能差等缺点，后者则由于使用商用材料，主体框架已经固定，导致孔径难以被大幅度调控。

针对上述问题，本研究选择商用密胺海绵（PMF）为基体，将静电纺的二氧化硅纳米纤维扩散进入海绵内部。纳米纤维搭接在PMF骨架上，将原先的大孔分隔成若干个小孔，实现对材料孔径的调控。通过戊二醛将纳米纤维和PMF骨架化学交联，增强多级结构的稳定性。最后利用多巴胺/聚乙烯亚胺共沉积和水热法在PMF骨架和纳米纤维上生长层状双金属性氧化物（LDH）纳米卷，赋予最终复合物超亲水和水下超疏油性能。

通过改变纳米纤维的摄入量，改性PMF的平均孔径可从109.50 mm降低至23.35 mm，同时其孔隙率仍稳定在97.8%以上。将一系列改性PMF应用于油水分离，数据显示60 mL的层状油水混合物（v:v = 1:1）可在10 s完全分离；不含乳化剂的油水乳液（油滴直径17.68 mm）的水通量为1.6 *106 L m-2 h-1 bar-1，分离效率为98.24%；含乳化剂的油水乳液（油滴直径11.02 mm）的水通量为3.5 *105 L m-2 h-1 bar-1，分离效率为99.46%（分离时需三层PMF叠加）。

研究表明三维改性PMF的油水分离机理主要包括表面尺寸筛分和油滴在内部孔道的合并。

论文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201704293/full

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