在工业加工、石油开采及金属清洗等过程中，会产生大量稳定的水包油乳液。与普通油水混合物不同，这类乳液中油滴尺寸通常处于微米甚至纳米尺度，并在表面活性剂的稳定作用下长期分散，使得传统基于孔径筛分的分离膜面临两大难题：小尺寸油滴难以截留，同时膜污染严重、通量快速下降。如何在保证高分离效率的同时实现高通量，成为含油废水处理领域的重要科学与工程问题。

  针对这一挑战，哈尔滨工业大学潘昀路教授、李斐然副教授团队提出了一种新的设计思路：不再仅依赖“筛分”，而是通过电荷诱导破乳效应与孔径梯度结构的协同作用进行。

  2026年1月28日，相关成果以“Glomerulus Inspired Charged Nanofibrous Membrane for High-efficient Micro/Nano-emulsion Separation”为题发表在《Advanced Functional Materials》。

  该研究从生物肾小球的过滤机制获得启发，构建了一种具有孔径梯度结构与混合电荷表面的多层纳米纤维膜。通过调节静电纺丝液浓度，制备出孔径沿膜厚方向逐级变化的梯度结构，使液滴在传输过程中经历逐层筛分并在膜内部破乳。在纤维表面引入PEO水凝胶层和PEI–PA带电涂层，可形成稳定水化层并赋予膜表面混合电荷特性。

  这一结构的关键在于其界面作用能力。混合电荷层能够与乳液中常见的阴离子表面活性剂（如SDS）产生强静电相互作用，诱导油滴界面结构失稳，促使小液滴在膜内部发生碰撞与聚结，实现膜内破乳。因此，即使油滴尺寸远小于膜孔径，也能够被有效截留并分离。

  实验结果表明，该肾小球仿生膜对多种水包油乳液均表现出优异性能。对于粒径约137 nm的水包正辛烷乳液和约20 nm的水包十二烷乳液，分离效率仍可达到99%以上，同时分离通量较传统单孔径膜提高约2.5倍。膜材料还表现出超亲水和水下超疏油特性，有效降低了油污附着，具备良好的抗污染能力。

  为了进一步揭示其作用机理，研究结合多尺度模拟分析。密度泛函理论（DFT）计算表明，PEI–PA电荷层与SDS之间存在显著的强相互作用，证实了电荷诱导界面失稳的可行性；计算流体力学（CFD）结果则显示，梯度孔径结构能够优化膜内流场分布，显著提高液滴的碰撞与聚结概率。两者共同实现了电荷破乳与结构筛分的协同强化机制。

图1 （A）肾小球仿生多层膜的设计原理示意图；（B）纳米纤维膜的制备过程；（C）多层梯度膜膜的照片和扫描电镜图像

图2 （A）不同浓度的不带电纤维膜（PP）和带电纤维膜（PPEA）的平均孔径分布；（B）XPS全谱分析；（C）PP和PPEA膜的高分辨率O1s XPS能谱；（E）FTIR 红外光谱；（F）PP和PPEA膜的表面电势对比；（G）PPEA膜在空气中和水下环境的水/油接触角照片；（H）PPEA膜的水下油接触角和油下水接触角；（I）水下油滴滑动与脱附的时序图像

图3 （A）水包正辛烷乳液的渗透通量与滤液含油量对比；（B）GIM膜对七种不同油类水包油乳液的分离通量与效率表现；（C–D）正己烷、正辛烷和十二烷乳液的液滴粒径分布及Zeta电位；（E）PP-10、MPP、PPEA-10以及GIM膜在处理正己烷、正辛烷和十二烷乳液时的分离通量对比；（F）不同乳液的液滴尺寸与分离效率之间的相关性。

图4（A）乳液分离机制的示意图；（B）水和油在多层膜中传质过程的受力分析；（C）基于DFT（密度泛函理论）计算的SDS表面活性剂与PEO表面及PEI–PA涂层之间相互作用力的对比；（D）使用小孔径、梯度孔径和大孔径纳米纤维膜进行油水乳液分离的CFD（计算流体力学）模拟图及流线分布。

  该工作突破了传统分离膜单纯依赖尺寸筛分的设计思路，提出了一种“界面电荷调控+结构尺度调控”协同的新策略，在实现高效率的同时显著提升通量，为高稳定微纳乳液的处理提供了新的设计理念。该策略在工业含油废水处理、资源回收及环境治理等领域具有良好的应用前景。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202521336