哈工大马军院士团队程喜全副教授 ACS Nnao：构筑环境友好的“油二极管”Janus膜用于油水分离

2022-03-15 来源：高分子科技

石油泄漏是一个全球性的环境问题，并且频繁发生，造成石油资源的浪费，甚至威胁到海洋生物和人类安全。由于单向运输性能，“油二极管”Janus膜在油水分离方面引起了广泛关注。因此，构筑具有“油二极管”Janus膜是非常有必要的，其为高效快速油水分离及回收提供思路。

近日，城市水资源与水环境国家重点实验室成员、哈尔滨工业大学（威海）程喜全副教授研究团队提出一种铜网疏水改性加静电纺丝策略，该项策略在超疏水铜网上静电纺丝一层超亲水聚乳酸薄膜，通过控制疏水改性的正十六硫醇浓度和静电纺丝时间，制备出环境友好的“油二极管”Janus膜，并对正辛烷油柱展现出12 kPa抗油柱压力和对含有表面活性剂的稳定的正辛烷油包水乳液展现出优异的分离性能。该工作以“Constructing Environmental-friendly “Oil-diode” Janus Membrane for Oil/Water Separation”为主题发表在《ACS Nano》上。文章第一作者兼通讯作者为哈尔滨工业大学（威海）程喜全副教授，共同通讯作者为欧洲膜学会名誉主席Enrico Drioli。哈尔滨工业大学（威海）硕士研究生叶燕燕为第二作者。

图1 （A）PEA与PEGDGE的反应过程；（B）膜制备过程及其特点；（C）膜的单通道及油水混合液分离性能。

“油-二极管”Janus膜的油单向传输性能
作者在文章中阐述了HO膜、HI膜、HI/HO膜以及HO/HI膜对于柴油的渗透机制。通过控制正十六硫醇浓度，制备得到表面含有部分凸起亲水结构的超疏水铜网，同时控制静电纺丝时间，获得性能最优的“油二极管”Janus膜。展现出12 kPa的抗油压力，其性能明显优于大多数Janus膜。

图2 Janus膜的油单通道输送性能

“油-二极管”Janus膜的油水分离性能
所制备的Janus膜对重油/水混合液、轻油/水混合液以及含有表面活性剂的正辛烷油包水乳液有着优异的分离性能。其中，HI/HO膜对于正辛烷油包水乳液分离的渗透通量为2993 L m^-2 h^-1 bar^-1，分离效率高达99.6%。HO/HI膜对正辛烷油包水乳液分离效率93%~99%，可以应用于不同分离效率要求的工艺中。

图3 Janus膜的油水分离性能

作者实现了一种简便的方法来制造环保的“油二极管”Janus膜。作者认为表面润湿性，特殊的凸起结构如花蕾和材料特性可以产生叠加的效应来实现单向液体渗透，并通过抗油压力得到证明。在膜的疏水侧引入一些具有部分亲水表面的微纳米结构是提高拉普拉斯压力的关键。有趣的是，精心设计的膜可以在一定条件下很好地分离重油/水混合物和轻油/水混合物。此外，所制备的膜对含有表面活性剂的稳定油包水乳液表现出优异的分离性能，渗透率约为 2993 L m^-2 h^-1 bar^-1，分离效率高达99.6%。具有超高抗油压力的“油二极管”Janus膜在智能液体分离、各种油水乳液分离等领域有着广泛的应用。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c11388

作者介绍：

程喜全副教授链接：http://homepage.hit.edu.cn/chengxiquan

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（责任编辑：xu）

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