海洋原油泄漏、工业含油污水及生活含油污水已成为加剧淡水资源短缺的主要污染物。探索和发展一种能够有效净化含油废水的新方法是解决这一问题的关键。静电纺丝纳米纤维膜因其具有孔隙结构互连、孔隙率高、比表面积大以及易于进一步改性等优点，被认为是一种处理含油污水的首选介质。醋酸纤维素（CA）静电纺丝纳米纤维膜以其可持续性和环境友好性在油/水分离领域中得到了广泛的应用。然而，由于其孔径较大及润湿性较弱，CA基纳米纤维膜通常表现出不理想的油/水分离效果。
近日，陕西科技大学陆赵情教授团队在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“Hierarchical and superwettable cellulose acetate nanofibrous membranes decorated via 3D flower-like layered double hydroxides for efficient oil/water separation”。研究者通过将静电纺丝、静电喷涂和水热生长技术相结合（图1），制备出层状双氢氧化物修饰的双层醋酸纤维素（LDH@DCA）纳米纤维膜。通过调节静电喷涂的浓度、时间以及水热生长的时间，可以调节LDH@DCA膜的油/水分离性能。由于LDH固有的亲水性以及多尺度微纳粗糙结构的形成，使得后续的LDH@DCA膜表现出超亲水和水下超疏油的特性。
因此，LDH@DCA膜具有优异的渗透性和选择性，其分离通量为27346 L·m‒2·h‒1·bar‒1，油/水分离效率为98.93%。此外，LDH@DCA膜对正己烷、石油、大豆油等不同种类的油/水乳液均表现出优异的油/水分离性能。更重要地是，LDH@DCA膜在经历15次循环后仍具有优异的抗污染性能和循环稳定性，在含油废水的分离、净化和循环利用方面具有广阔的应用前景。
图1：LDH@DCA纳米纤维膜的制备过程示意图。
通过静电纺丝技术和后处理制备LDH@DCA膜。如图2的SEM图像所示，纯的CA膜具有交织的纤维网络结构，纤维平均直径约为183 nm；静电喷涂后的双层CA膜（DCA）的表皮层呈现出平均直径约0.9 μm、褶皱的莫比乌斯环状的突起；而LDH@DCA膜上出现横向尺寸约为2 μm的三维花状的LDH。综上，纳米级的CA静电纺丝纤维、亚微米级的突起结构及微米级的3D花状LDH共同促进了LDH@DCA纳米纤维膜多尺度微纳粗糙结构的构筑。
图2：不同纳米纤维膜的微观形貌图像。
如图3所示，LDH@DCA膜的水接触角为9°，水下油接触角为155°，表明其具有超亲水和水下超疏油的特性。LDH@DCA膜表面润湿性的提高主要是由于LDH固有的亲水性和三维微纳粗糙结构的形成。此外，将染红的正己烷油滴注入LDH@DCA膜的水下表面时，油滴可以快速浮到水面并聚集成更大的油滴，而不会粘附在分离膜的表面，显示出其优异的抗油性能。
图3：不同纳米纤维膜的表面润湿性能。
图4：制备的LDH@DCA纳米纤维膜的油水分离性能。
如图4所示，具有最佳油/水分离性能的LDH@DCA膜的分离通量为27346 L·m‒2·h‒1·bar‒1，分离效率为98.93%，优于大多数已报道的文献，这与三维多尺度微纳结构的构筑和LDH本身强的亲水性有关。另外，可以发现LDH@DCA膜也具有很好的循环稳定性，经过15个循环后，分离通量略有下降，而分离效率较为稳定。此外，LDH@DCA膜对正己烷、石油、大豆油等不同的油/水乳液具有优异的分离性能，这得益于LDH@DCA膜对不同油具有优异的水下超疏油性(水下油接触角在145°之间)。更重要的是，制备的LDH@DCA膜也表现出优异的机械性能和良好的生物可降解性，其在含油废水的分离、净化和循环利用方面具有广阔的应用前景。
论文链接：
http://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.127052
人物简介：
陆赵情，二级教授，博士生导师，国家重大人才工程特聘教授，国家有突出贡献的中青年专家，新世纪百千万人才工程国家级人选，现任陕西科技大学研究生院院长、教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室常务副主任、中国轻工业纸基功能材料重点实验室主任、陕西省高性能纤维纸基功能材料重点科研创新团队负责人，主要从事高性能纤维纸基功能材料方面研究。
近几年主持完成/在研包括十三五国家重点研发计划课题、国家自然科学基金在内的科研项目27项；以第一作者/通信作者在ACS nano、Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal等国内外期刊发表学术论文117篇，获授权发明专利52件。获国家科技进步二等奖（2018，第2），教育部技术发明一等奖（2017，第2），陕西省科学技术一等奖（2021，第1；2013，第2）。代表性成果芳纶纸基功能材料打破美国杜邦公司全球垄断，已成功应用在CRH高速列车、国产军/民飞机、天宫二号空间实验室等国家重大工程项目。
