含油废水的处理已成为现代社会面临的重大挑战。含油废水在化工、制药、农业、食品等工业过程中广泛产生，其排放影响人类生活环境，包括对人类健康和生态系统平衡造成负面影响。因此，含油废水的处理和石油资源的回收是当务之急，受到世界各国的广泛关注。其中膜分离已广泛应用于含油废水的处理。在传统的膜分离工艺中，油滴堵塞孔隙，会导致膜分离效率急剧下降，通量急剧下降，压力急剧升高。特别是在表面活性剂稳定油水乳液的分离中，水包油乳液中乳化后的油滴稳定性高，由于油的表面有表面活性剂的包裹而难以凝聚，导致分离效率低，油粘附在膜表面。一般情况下，多采用表面粘附力低的材料、错流的方式来减缓乳化液滴的堵孔。然而这种方式对于无表面活性剂的乳液来说有用，但对于表面活性剂稳定的油滴，容易浓缩并压缩在膜表面周围难以聚结成大液滴。

近日，中国科学院工程研究所李望良研究员团队在期刊《Journal of Membrane Science》上发表了最新研究成果“Superhydrophilic and underwater superoleophobic PVDF-PES nanofibrous membranes for highly efficient surfactant-stabilized oil-in-water emulsions separation”。研究者通过简单的静电纺丝、微波辅助和原位聚合法在制备了超亲水-水下超疏油的PVDF-PES基纳米纤维膜。以PVDF-PES纳米纤维膜为基底进行微波辅助原位生长羧甲基环糊精-二氧化钛（CMCD-TiO2），构建具有层次结构的纳米纤维膜，并且材料大的空气中高度疏水性转变为超亲水性，水下疏油性增强；再次，运用原位聚合聚苯胺进一步制备水下超疏油膜。所制备的膜具有孔径合适、孔隙率高、表面粗糙、超亲水-水下超疏油的微/纳米层的结构。

图1 超亲水-水下超疏油纳米纤维膜的制备示意图。

如图2所示，当PVDF-PES纳米纤维膜生长CMCD和TiO2后，纤维表面存在明显的纳米颗粒，可以看到纤维表面的粗糙度明显。当原位聚合聚苯胺后，纤维上有明显的PANI层。通过粗糙度测试可以看到，膜在制备完成后膜表面的粗糙度明显提高，通过接触角测试后，膜在空气中的水接触角变为超亲水性（0°），水下油接触角达到水下超疏油性（153°），并且膜表面的zeta电位表现出正电性。

图2 超亲水-水下超疏油纳米纤维膜的结构分析。

膜对无表面活性剂的水包油乳剂和表面活性剂稳定的水包油乳剂均表现出优异的水下防污和自清洁性能。当处理无表面活性剂的水包油乳液时，PTCPS膜的分离效率高达99.94%以上，通量为3563.0 L m-2 h-1。在重力（≈1 kPa）作用下，膜对不同表面活性剂SDBS、CTAB和Tween 80存在的水包油乳液的分离效率为96.50%，分离通量为1112.5 L m-2 h-1。膜的长期分离效率在97.0%以上，5次循环后效率在98.60%以上。由于制备的膜表面具有正电性，受到静电相互作用有利于带负电荷油滴的油-水乳液分离，使得带负电荷的SDBS-水包油乳液的分离效率比其他两种表活剂存在的乳液分离效率高。

此外，所制备的膜在不同的恶劣条件下（如酸、碱、盐溶液、有机溶剂和超声波处理）都保持了良好的水下超疏油性能。

图3 纳米纤维膜分离不同类型的水包油乳液性能测试。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.122044

人物简介：

李望良 中国科学院过程工程研究所研究员，博士生导师。入选中科院过程所百人计划、河南省特聘研究员、江苏省高层次创新人才，任中国化工学会无机酸碱盐协会催化委员会专家委员、石油大学（北京）客座教授等。研究领域包括纳米纤维膜规模化制备、油水分离和饮用水净化等，先后主持、参与多项国家自然科学基金、科技部重点研发计划、国家973计划、863计划等项目。近年来，在Science、Engineering、Renewable and Sustainable Energy Reviews、Carbohydrate polymer、Applied Energy、Journal of Membrane Science、AIChE Journal、Bioresource Technology等国际知名期刊发表论文120余篇，申请发明专利40余项，英文著作5章。