油水混合物在石油開采和工業(yè)加工中普遍存在，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。其中，含有亞微米級(jí)分散液滴的乳化液因表面活性劑作用而極其穩(wěn)定，難以高效分離。目前，膜分離技術(shù)雖具備高效、低碳等優(yōu)勢(shì)，但多數(shù)分離膜因孔結(jié)構(gòu)單一、孔隙連通性差，導(dǎo)致分離效率與通量難以兼顧，開發(fā)新型高效分離材料迫在眉睫。

近日， 東華大學(xué)俞建勇院士、張世超研究員提出了一種基于電流體動(dòng)力學(xué)策略的自組裝聚合物納米片錨定納米纖維膜，成功實(shí)現(xiàn)了油包水乳液的高效分離。該膜通過調(diào)控電紡絲過程中的相對(duì)濕度，形成莖狀粗糙納米纖維，并利用微電場(chǎng)誘導(dǎo)帶電聚合物液滴變形、組裝為葉狀納米片，錨定于纖維之上，構(gòu)建出類似植物莖葉的分層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)憑借超浸潤(rùn)孔道與破乳-攔截協(xié)同作用，在分離效率（＞99.32%）與通量（最高達(dá)4179 L/m2 /h）方面均表現(xiàn)優(yōu)異。相關(guān)論文以“Self-assembled polymeric nanosheet-anchored nanofiber membrane for emulsion separation”為題，發(fā)表在Nature Communications。

研究團(tuán)隊(duì)通過濕度誘導(dǎo)電紡絲與電噴霧-成片技術(shù)，制備出具有莖葉狀分級(jí)結(jié)構(gòu)的納米片/納米纖維膜（圖1a）。掃描電鏡圖像顯示，該膜由莖狀粗糙納米纖維與葉狀聚合物納米片組成，形似植物莖葉交織（圖1b–e）。納米片在纖維支架上構(gòu)建出有利于油相快速傳輸?shù)拿?xì)孔道，其銳利邊緣結(jié)構(gòu)可促進(jìn)乳液破乳（圖1f）。膜表面在空氣中表現(xiàn)出快速油相鋪展特性，而在油下則具有抗水黏附性能（圖1g），實(shí)現(xiàn)了高通量與高效率的乳液分離（圖1h），并可通過蠕動(dòng)泵與壓力泵組成的過濾系統(tǒng)完成連續(xù)分離操作（圖1i）。

圖1 納米片/納米纖維膜的加工與結(jié)構(gòu)

在納米纖維的設(shè)計(jì)中，高濕度環(huán)境加速了射流相分離與固化，形成表面粗糙的莖狀纖維（圖2a–c）。三元相圖揭示了溶劑與非溶劑的交換動(dòng)力學(xué)如何引導(dǎo)相分離行為，進(jìn)而形成可作為錨定點(diǎn)的粗糙表面（圖2d,e）。通過調(diào)控紡絲時(shí)間，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維膜孔徑與表面電位的精確控制（圖2f,g）。低表面電位的收集器（如鋁箔和薄納米纖維膜）更易誘導(dǎo)帶電PMMA液滴形成葉狀納米片（圖2h,i），其形成機(jī)制涉及電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)下液滴的拉伸與固化過程（圖2j,k）。

圖2 莖狀納米纖維與葉狀納米片的設(shè)計(jì)與合成

該納米片/納米纖維膜展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度達(dá)12.9 MPa，且在1000次循環(huán)拉伸后仍保持85%以上的最大應(yīng)力（圖3a,b）。納米片的引入使平均孔徑降低20.9%，同時(shí)孔隙率維持在80%以上（圖3c），表面粗糙度約為4.9 μm（圖3d）。膜表面具有超親油與油下超疏水特性（圖3e），在各種油類中均表現(xiàn)出低水黏附力（＜1 μN(yùn)）（圖3f,g）。其分離機(jī)制結(jié)合了孔道篩分與結(jié)構(gòu)破乳作用，并通過三維模型驗(yàn)證了連通孔道對(duì)液體快速傳輸?shù)拇龠M(jìn)作用（圖3h,i）。

圖3  納米片/納米纖維膜的機(jī)械性能與選擇性潤(rùn)濕性

在功能性測(cè)試中，該膜對(duì)無表面活性劑乳液（SFE）和表面活性劑穩(wěn)定乳液（SSE）均展現(xiàn)出卓越的分離能力（圖4a–c）。對(duì)不同油類乳液的分離通量最高達(dá)4179 L/m2/h，且效率始終高于99%。與文獻(xiàn)報(bào)道的其他材料相比，該膜在效率與通量之間實(shí)現(xiàn)了良好平衡（圖4d）。循環(huán)使用測(cè)試顯示，膜經(jīng)乙醇清洗后通量可恢復(fù)，分離效率未明顯下降（圖4e），顯示出優(yōu)異的抗污染性能與長(zhǎng)期使用潛力?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了連續(xù)分離裝置，為大規(guī)模乳液處理提供了可行方案（圖4f）。

圖4 納米片/納米纖維膜的乳液分離性能

該研究通過電噴霧-成片技術(shù)成功制備出具有莖葉狀分級(jí)結(jié)構(gòu)的納米片/納米纖維膜，在乳液分離中實(shí)現(xiàn)了高效攔截、破乳與油相快速通過。膜材料兼具優(yōu)良機(jī)械性能與可重復(fù)使用性，為高性能纖維納米材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了新思路，在環(huán)境保護(hù)與資源循環(huán)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

來源：高分子科學(xué)前沿