苏州大学靳健教授、中科院苏州纳米所朱玉长副研究员《Adv. Funct. Mater.》：超强抗污染油/水乳液分离膜双重防御设计

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工业生产和原油开采等过程中产生的油污染严重威胁着地球生态和人类健康，而膜分离技术可通过孔径筛分原理有效隔绝油滴实现对乳化含油废水的高效分离。但是，膜表面在油/水分离过程中易被油污污染，造成分离水通量的大幅衰减，是该技术需要攻克的关键性问题之一。水合层抗污染理论使得亲水性聚合物在膜表面的修饰成为可行的解决方法，然而简单的亲水改性虽然可以赋予膜一定的抗油污染特性，但依然难以有效解决水通量严重衰减的问题。其根本原因在于，“单一防御”机制不足以在过滤环境下有效防止油滴在膜表面的粘附、堆积以及滤饼的产生。
苏州大学靳健教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所朱玉长副研究员近期在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Double-Defense Design of Super-Anti-Fouling Membranes for Oil/Water Emulsion Separation”的研究成果（DOI: 10.1002/adfm.202113247）。为了解决分离水通量严重衰减的问题，该团队提出了一种用于油水乳液分离膜表面抗油污染亲水改性的超强“双重防御”策略：将亲水性聚合物刷和水凝胶相结合，通过在聚偏氟乙烯（PVDF）微滤膜表面首先覆盖聚甲基丙烯酸羟乙酯（pHEMA）水凝胶层，再在水凝胶层表面可控接枝磺酸甜菜碱两性离子聚合物（pSB）刷，制备了“双重防御”结构表面修饰的PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush分离膜。该种分层级的分子空间结构在膜表面构建了一种高度覆盖的抗油污染屏障，在油/水分离过程中，当油滴突破分子刷的阻挡时可通过水凝胶层进行二次防御，从而有效抵御油在膜表面的粘附和滤饼的产生。研究结果表明，PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush分离膜具有优异的抗油污粘附性能和自清洁特性。在错流分离多种表面活性剂稳定的烷烃油-水乳液和自乳化的挥发性中药油-水乳液时，分离水通量可达到1000 Lm⁻² h⁻¹ bar⁻¹左右的同时，可实现水通量的近乎“零衰减”和高恢复率。此外，分离膜在过滤纯水和分离油水乳液时，其水通量可保持几乎一致，说明“双重防御”结构可通过防止滤饼的产生有效抑制水通量的严重衰减，这是常规油水分离膜难以实现的。 
图1 两性离子聚合物刷接枝水凝胶修饰的PVDF微滤膜，PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush。（a）PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush分离膜的制备策略示意图。（b）在错流过滤环境下PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush分离膜表面“双重防御”机制抵抗油污染和滤饼产生的示意图。 
图2 浸润性、水下抗油粘附性能和自清洁特性。PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush分离膜的（a）水接触角和（b）水下油接触角。油是1,2-二氯乙烷。（c）水下油滴在倾斜的PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush分离膜表面上的滚动。油是1,2-二氯乙烷。水下（d）单一油滴和（e）多油滴落在倾斜的PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush分离膜表面后的回弹和滚动。油是油蓝染色的1,2-二氯乙烷。（f）原油污染的干态PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush分离膜表面的水下自清洁特性。  图3 错流过滤环境下的抗油污染性能。（a）PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush、（b）PVDF-pHEMA_gel（对照组1）和（c）PVDF-pSB_brush（对照组2）分离膜在分离吐温80稳定油水乳液的循环过滤实验全程中的水通量实时变化情况。油是正十六烷。（d-f）错流环境下油滴分别在接触PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush、PVDF-pHEMA_gel和PVDF-pSB_brush分离膜表面时的行为示意图。  
图4 自乳化挥发性中药油油水乳液的分离和抗污染性能。PVDF-pHEMA_gel-pSB_brush分离膜在错流环境下分离不含表面活性剂的（a）丁香精油、（b）香附精油和（c）辛夷精油油水乳液时水通量的实时变化情况。插图是相应的原液和滤液的光学照片以及滤液的总有机碳含量。（d）相应的DR_{water to oil}、DR_oil和FRR。
原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113247

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