随着工业的快速发展，大量被有机物污染的水被排放到环境中，包括分散的油类及有机溶剂，和溶解的抗生素及染料等，对生态系统和人类健康带来了巨大的风险。与传统的吸附、蒸馏等方法相比，具有特殊润湿性质的膜因为膜分离技术的低能耗与高效率引发了科研人员的广泛关注。然而低成本并大规模地制造可用于不同复杂污水处理情景的超润湿分离膜仍然是一个挑战。
近期，德州农工大学方磊教授课题组报道了一种基于氧化锌纳米颗粒 （ZnONPs）引发光聚合法（ZIP）制备多种超润湿分离膜用于可持续水处理。该方法充分利用了ZnONPs的物理化学性质，使其引发单体的光聚合形成复合膜，增加膜表面粗糙度以实现超润湿性以及催化可溶性有机小分子污染物的光降解。该方法制备简单，成本低廉，并可根据不同水处理场景选择合适的聚合单体与基底。
所有通过ZIP制备的膜都呈现超亲水（水的接触角均接近0°）和水下超疏油（水下油接触角均>155°）（图3）。特殊的超润湿性以合适的孔径大小（图2）使得ZIP制备的膜可以快速高效地分离不同尺寸的油水混合物。在重力作用下，PAM-ZnO@SSM能以 19700L/m2 和 1340L/m2的高通量分离分层的油水混合物以及无表面活性剂的油水乳液，效率达到99.9%。PNaAMPS-PDA-ZnO@MCE和Porous-PAM-ZnO膜均可在真空压力下以99%的效率净化多种表面活性剂稳定的油水乳液，并展现了良好的循环使用能力（图4）。此外，Porous-PAM-ZnO膜集成了油水乳液分离和有机污染物的光催化降解功能，可同时去除不相溶的油和可溶性有机污染物来净化复杂的废水。在紫外灯作用下，在经过一个光照过滤周期，其可在将水中分散的微米/纳米大小的油滴过滤的同时降解67.9%的甲基橙污染物 （图5）。如果需要更干净地去除溶解的有机污染物，则过滤液可以简单地循环使用作为进料，再次进行光降解以达到较低浓度的溶解有机物含量。
图1. 通过ZIP法制备三种超亲水水处理膜
图2：ZIP制备膜的照片和扫描电子显微镜（SEM）图像
图3：ZIP制备膜的表面润湿性质以及耐磨性能
图4：ZIP制备膜在净化油/水混合物和纳米尺度的水包油乳液中的分离性能
图5：Porous-PAM-ZnO膜对水中分散和溶解污染物的同时去除性能
这项研究阐明了一种具有成本低廉、可放大和可持续性的分离膜制备方法，具有在各种水处理场景中的潜在适用性。这种多功能策略可以扩展到包括更广泛的半导体纳米颗粒、单体和基底，为可持续水处理应用的超润湿和光催化膜的规模化生产提供了思路。以上的研究成果以“Versatile and efficient photopolymerization approach to zinc oxide-composed dual functional membranes for sustainable water treatment”为题发表在Matter期刊，德州农工大学李臣轩博士为该论文第一作者。
该工作是团队关于高分子吸附及分离材料的进展之一。在过去的几年中，团队设计了一系列简单易行的多孔高分子材料的合成方法，并用于甲烷吸附（ACS Materials Lett. 2020, 2, 49-54），溶液小分子吸附（Mater. Chem. Front. 2018, 2, 396-401），有机溶剂纳滤（J. Mater. Chem. A 2020, 8, 15891-15899），BTEX气体吸附与探测（Mater. Today Chem. 2022, 24, 100915）。同时，团队制备了基于四角针状氧化锌引发光聚合的超疏水/超亲油涂层用于不互溶的液液分离（Mater. Horiz. 2022, 9, 452–461）。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S259023852300646X
