含油污水的大量排放和海上原油泄漏事故的频繁发生严重威胁着生态环境。如何快速高效的处理含油污水已成为关系社会生活、经济发展与环境安全的重要课题。基于超亲水膜的分离技术是近年来实现油水分离的有效措施，然而，实际的含油废水成分复杂，往往含有酸碱盐等腐蚀介质，且粘质油在分离时易污染滤材，因此，亟需开发可在复杂环境下进行长时间大规模粘质油水分离的膜材料。

近期，吉林大学王策教授与西南石油大学颜贵龙博士合作在《Advanced Fiber Materials》上发表了题为“Pre-oxidized PAN Nanofibrous Membrane to Efficiently and Continuously Separate Large-scale Viscous Oil-in-Water Emulsions under Harsh Conditions with Ultra-Long-Term Oil-Fouling Recovery”的研究成果。该工作通过简单的静电纺丝和预氧化工艺，制备出电纺丝预氧化聚丙烯腈纳米纤维膜(p-PAN NM)。基于预氧化过程中发生的脱氢/环化/氧化反应，获得了具有“梯子”分子结构的p-PAN NM（如图1所示），该膜具有超亲水性/水下超疏油性（如图2所示），且对多种无机/有机腐蚀介质显示出较强的耐腐蚀性。所制得的纤维膜在分离含复杂腐蚀性介质(如1M HCl, 1M NaOH或10 wt% NaCl)水包粘油乳液体系时表现出优秀的分离能力(~ 99%的分离效率和~ 100%的油污回收率)和超长的使用寿命(长达265 h)。为大规模粘质油水乳液分离提供了简单、可靠的新方案。

图1：油水乳液分离的p-PAN NM的制备流程图示意图。

图2：预氧化前后纤维膜表面润湿性的变化。

为了清楚揭示预氧化过程对纤维膜表面润湿性的影响，团队利用密度泛函理论计算了水和不同油在室温条件下与预氧化前后纤维膜表面的吸附能（如图3所示）。结果显示：预氧化过后，水的吸附能从正值变为负值，意味着从疏水到亲水的转变，而油的吸附能一直为负值，表明预氧化前后纤维膜都表现出亲油性。

图3： 25°C条件下，预氧化前后纤维膜对不同油和水的静电势图

基于预氧化纤维膜在80°C条件下对水亲和力增强，与油亲和力下降，且稠油在高温下粘度降低等情况。利用在80°C的热水中超声处理，粘质油（大豆油和原油）所形成的油垢可以被完全除去（如图4所示）。

图4： p-PAN NM的抗粘滞油污性能(a)和80°C下的静电势图(b)。

基于预氧化聚丙烯腈纳米纤维膜的耐腐蚀性、超强抗油污特性、及较好的力学性能，该膜对含有各种腐蚀介质（1M HCl、1M NaOH、10 wt% NaCl）的粘质油（大豆油和原油）乳液，可以实现长期、高效分离(~ 99%的分离效率和~ 100%的油污回收率)。

图5：p-PAN NM对含有腐蚀性介质和表面活性剂的大豆油及原油乳液均表现出较好的分离效果。

本文采用一步预氧化法制备了耐腐蚀性强、污垢恢复力强、超亲水/水下超疏油的电纺丝预氧化聚丙烯腈(p-PAN)纳米纤维。我们的p-PAN纳米纤维在连续(265 h)分离大量SDS稳定的大豆/原油等复杂水包油乳状液中显示出较高的分离效率(~ 99%)和 ~ 100%的油污回收率。采用密度泛函理论(DFT)计算来阐明预氧化后表面润湿性的变化和污垢的恢复。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-024-00383-y

人物简介：

王策，吉林大学化学系教授，博士生导师。吉林大学麦克德尔米德实验室和吉林省特种工程塑料工程中心创始人之一。她在国内第一个开展了利用高压静电纺丝技术研制有机纳米高分子工作，开创了有机/无机两相纳米复合材料研究方向，在国内外成为该领域的先驱者。在JACS、Adv. Mater、 Small 等杂志发表学术论文300余篇，引用次数超过16000次；申请和获得国家发明专利近40项。主编著作三部，与他人合著四部；主持和参与国家973计划、国家863计划、国家支撑计划、国家基金委面上等三十余项国家省部级项目。