哈工大邵路 ACS Nano：超高渗透系数和分离效率！可规模化超疏水膜实现超快速水-油分离

【背景介绍】

每年排放含油废水和乳化油会造成巨大的经济损失，并危害生态环境。然而，由于常规分离技术不足以分离小于5 μm的乳化液滴，因此油-水乳液的分离仍然面临巨大的挑战。超润湿材料具有自清洁、防污和节能流体输送等特殊性能，因此在乳化油-水分离中引起了极大的关注。但是，超疏水膜表现出极高的憎水性，同时有利于油通过，显示出分离油包水乳液的强大前景。此外，由于水滴与低表面能膜之间的内在排斥作用，超疏水表面也可以赋予膜优异的防污性能。一般而言，通过用低表面能材料构建微米级的分层表面来设计表面超疏水性。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学邵路教授（通讯作者）等人报道了一种简便的方法，通过以聚偏氟乙烯（PVDF）溶液作为腔内溶液，活性含硅单体作为外部溶液，利用同轴静电纺丝技术制备出具有分层化学结构和微纳米级形貌的超疏水纳米纤维膜（PVDF-co-PDMS-AS）。在同轴电纺丝制备过程中，聚二甲硅氧烷（PDMS）溶液和PVDF溶液可能在喷丝头中相互扩散。需注意的是，由于针的长度仅为约3 cm，几乎不能均匀地混合溶液，从而导致轴向浓度梯度。当从进料中喷出溶液时，溶液可能发生相转化，PDMS单体可能同时彼此交联。由于聚合物溶质粘度（PDMS和PVDF）和助溶剂蒸发速率（THF和DMF）的差异，作者制备了包埋微球结构的的纳米纤维选择性层，同时对膜的润湿性、形态和表面化学进行了表征。此外，作者以正辛烷水乳液和甲苯水乳液为代表，研究了纳米纤维膜对油包水乳液的分离性能。所制备的膜显示出了超疏水性和优异的亲油性。将上述复合结构作为选择层与另一个PVDF电纺纤维支撑层结合在一起，形成不对称的复合膜，进一步降低了传质阻力。因此，具有精细定制的膜结构和表面性能，该膜表现出了超快的渗透性，用于分离水-正辛烷乳液溶液的渗透系数为17331 L m^-2 h^-1 bar^-1、水-甲苯乳液溶液的渗透系数为35751 L m^-2 h^-1 bar^-1。结果表明，该复合膜可以有效去除150 nm以上的水滴，分离效率更是高达99.6％，并且在20次循环后仍具有出色的性能，显示出在油包水乳液分离方面的强大前景。该工作成果以题为“Constructing Scalable Superhydrophobic Membranes for Ultrafast Water-Oil Separation”发表在著名期刊ACS Nano上。