如今，利用膜处理含油废水，尤其是乳化液的问题日益受到关注。然而，工业含油废水（尤其是乳液）的处理仍然是一个具有挑战性的问题，乳液分离的高通量和高效率通常依赖于耗能的外部驱动压力。

近日，贵州大学李龙教授等人在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“A wettability and structure gradient electrospun membrane for highly efficient emulsion separation”。研究者报告了一种在厚度方向上具有特殊润湿性和结构梯度的功能纤维膜（GM），可实现高效的乳液分离。这种功能梯度膜是通过一步电纺丝策略制备的而成（图1），使用聚苯乙烯-聚丙烯腈共聚物（PS-PAN）和氧化石墨烯@聚丙烯腈（GO@PAN），按照专门设计的制备方案调控膜中各层纤维的润湿性。制备的GM具有从超亲水到疏水的润湿性梯度以及由GO含量变化引起的纤维纺锤结构梯度。这种润湿性梯度具有显著的单向液体传输特性，其乳液分离通量明显高于均质膜GO@PAN。同时，纤维上的GO和纺锤体结构促进了乳液滴的破乳和破乳后油滴的聚集。

图1. 润湿性和结构梯度膜的制备示意图以及其在高效乳液分离中的应用。

随着GO@PAN含量的降低（图2d-i），纤维直径没有明显变化，这表明GO@PAN和PS-PAN成分的变化对纤维直径的影响很小。而随着含量的变化，纤维上的GO纺锤体和纤维层相应的亲水性会逐渐降低，从而导致润湿性沿着GM的厚度方向逐渐过渡。其中，GO@PAN含量为100%的纤维层具有超亲水性，去离子水与膜表面初次接触时只需要4秒钟就能达到零接触角（图2d）。相反，PS-PAN纤维层（0%的GO@PAN）表现出典型的疏水性，约115°的接触角在4分钟内没有明显变化（图2i）。

图2. 沿GM厚度方向不同位置处的表面形貌和润湿行为。

GM仅在重力作用下就能获得超高的无表面活性剂水包油型乳液分离通量和分离效率。同时，在低重力条件下GM还实现了表面活性剂稳定乳液的高效分离（图3）。值得一提的是，由于存在跨厚度润湿梯度产生的内驱动力，乳液分离通量远高于均质膜（GO@PAN）。此外，纤维上的GO可作为表面活性剂稳定乳液的破乳剂，而纤维上的纺锤体结构可产生拉普拉斯压差，诱导破乳后油滴的定向传输和聚集。因此，GM在无表面活性剂和表面活性剂稳定的乳液中都表现出优异的防污性能和可重复使用性，使其成为节能高效乳液分离应用的理想候选材料，在油水分离领域展现出巨大的潜力。

图3. GM的乳液分离性能以及分离机理。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.127047

该工作于2024年3月10日在线发表，贵州大学材料与冶金学院李龙副教授为通讯作者，硕士研究生韩华念和申权为第一作者。