油水乳状液是一种常见的含油废水，广泛存在于日常生活和工业生产中，排放前必须进行处理。由于这些传统工艺的天然缺陷:容易被油污染而阻塞和污染膜和聚结剂，操作能耗和破乳剂成本高，或频繁更换吸附剂，因此难以实现廉价和满意的乳状液处理。
近日，四川大学蒋炜教授课题组在期刊ACS Applied Materials & Interface上发表题为“Universal Rapid Demulsification by Vacuum Suction Using Superamphiphilic and Underliquid Superamphiphobic Polyurethane/Diatomite Composite”的文章。该论文报告了一种基于超浸润材料对油水乳液进行连续破乳及油水分离的过程，提出了超浸润三维多孔聚氨酯/硅藻土（PU-硅藻土）预破乳装置，构建了一套具有工业应用前景的基于超浸润材料的连续油水分离装置和基于该装置的分离工艺，实现了油水混合物稳定、高效、连续破乳和分离，为工业含油废水规模化低成本快速处理提供了一条可借鉴思路。文章的通讯作者为四川大学化学工程学院蒋炜教授。
图1 使用三维超亲水/超亲油PU-硅藻土进行连续油水破乳分离的工艺示意图
本文要点
1）聚氨酯/硅藻土的浸润性表征
论文首先对硅藻土、PU胶水和PU-硅藻土在空气中对水和油的润湿行为进行了探究。结果如图2所示，经过固化后进行接触角测试，硅藻土的WCA为105±4°，OCA为3±1°；PU胶水的WCA为56±3°，OCA为11±2°；而PU-硅藻土的WCA和OCA都为0°。
图2 PU/硅藻土的润湿性: (a) 硅藻土、PU、PU/硅藻土的油/水接触角; (b) 水下超疏油性；(c) PU/硅藻土的油下超疏水性
2）针对无表面活性剂的油水乳液
基于上述超浸润三维多孔PU-硅藻土对多种无表面活性剂的油水乳液进行研究。无表面活性剂水包煤油（图3a）和煤油包水（图3b）乳液经过PU-硅藻土破乳后连续相的透过率大均于乳液，并与未乳化前的连续相的透过率基本一致，说明PU-硅藻土能实现无表面活性剂的水包油和油包水乳液完全破乳。如图3c-d所示，无表面活性剂水包煤油和煤油包水乳液呈乳白色乳液状，在显微镜下都能清楚观测到许多小液滴。经过PU-硅藻土破乳后滤液均澄清透明，连续相在同等倍数显微镜下并未观测到任何小液滴，证实PU-硅藻土可以实现无表面活性剂油水乳液完全破乳。
图3无表面活性剂：(a)水包煤油和(b)煤油包水乳液破乳前后的透过率；水包煤油(c)和煤油包水(d)乳液前后实物图和显微镜图
3）针对含表面活性剂的油水乳液
含有表面活性剂的乳液分离难度加大，表面活性剂稳定的水包煤油乳液（图4a）和煤油包水乳液（4b）经PU-硅藻土破乳后，连续相的透过率均大于原乳液，与未乳化的连续相的透过率基本一致，意味着PU-硅藻土具备实现表面活性剂稳定的油水乳液完全破乳的能力。图4c和图4d分别展示了表面活性剂稳定的水包煤油和煤油包水乳液均呈乳白色乳液状，在显微镜下均可以清楚观测到大量小乳滴。经过PU-硅藻土破乳，滤液均澄清透明，在同等倍数显微镜下并未观测到滤液连续相有任何小液滴，证实PU-硅藻土可以实现表面活性剂稳定的油水乳液完全破乳。因此，通过上述结果证实PU-硅藻土能实现无表面活性剂以及表面活性剂稳定的油水乳液完全破乳。
图4 含表面活性剂稳定的乳液：水包煤油(a)和煤油包水(b)乳液破乳前后连续相和煤油的透过率；水包煤油(c)和煤油包水(b)乳液前后实物图和显微镜图
4）聚氨酯/硅藻土的破乳机理
破乳过程机理如图5所示，在典型的破乳过程中，由于PU/硅藻土强大的吸附作用，无论是水还是油作为连续相首先与PU/硅藻土接触，在其表面迅速扩散，形成稳定的液体膜。其次，剩余的连续相和分散相均能到达湿法PU/硅藻土，但前者由于其含量更高，接触概率远高于后者。因此，连续相的膜不断补充，在外力的驱动下沿着PU/硅藻土表面流过滤饼。并且PU-硅藻土油下超疏水性导致复合材料表面对连续相与分散相的相互作用力存在差异。两种液相在多孔复合材料的微观结构中以不同的方式运动，PU/硅藻土材料粗糙表面和滤饼多孔结构促进了微小分散相液滴的结合，真空吸力提供了恒定的外力，保证了滤饼的稳定通量。这些机制共同作用，使破乳效果普遍稳定，并具有可接受的抗油垢能力。
5）油水乳液连续分离
将具有超疏水双层波纹通道结构的油水分离器，通过蠕动泵与吸入过滤装置连接，形成破乳分离装置，实现乳化液的完全分离。结果显示，除初始阶段外，该装置的分离效率均保持在99.5%以上，证实了破乳分离装置的操作稳定性。连续运行结果表明，破乳分离装置配合PU/硅藻土作为破乳核心材料，能够稳定分离油水乳状液。油包水乳液和油包水乳液在真空压力和流量恒定的条件下长期稳定运行，不受油垢的严重影响。分离后的水和油分别可视为可排放废水和可回收油。聚氨酯/硅藻土在工业、环保和日常生活中具有广阔的应用前景。
图6 连续破乳分离工艺:(a) 收集水透光率; (b) 水包煤油乳化液48 h的乳化液通量和乳化液分离效率; (c) 采集煤油的透光率; (d) 48 h水-煤油乳化液的乳化液通量和乳化液分离效率。
原文链接：
Pan Wu, Qiuxian Luo, Qiuxian Luo, Xingyang Zhang, Jian He, Changjun Liu, and Wei Jiang*, Universal rapid demulsification by vacuum suction using superamphiphilic and underliquid superamphiphobic polyurethane/diatomite composites, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, XXXX, XXX, XXX-XXX
https://doi.org/10.1021/acsami.2c03967
作者简介：
蒋炜教授，四川大学化学工程学院先进材料工程化研究组负责人，从事科研领域为化学工艺与工业催化，近五年主要科研方向为化工先进材料工程化，通过开发新型超浸润材料、光催化剂和工业催化剂吸附剂材料，进行工业废水处理、化工过程强化和多相反应研究。
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