近日，哈尔滨工业大学程喜全教授团队在期刊《Advanced Composites and Hybrid Materials》上，发表了最新研究成果“Biodegradable Nanofiber Membranes Based on Interpenetrating Network for Highly Efficient Oil/Water Separation”。研究者通过静电纺丝技术制备出亲水性、可降解的交联壳聚糖(CS)/聚乙烯醇(PVA)-甲基丙烯酸钠(SMa)纳米纤维膜。所制备的膜表现出较好的亲水性以及可生物降解性。

图1：CS/PVA-SMa纳米纤维膜的制造和互穿网络结构。

本研究构建了一种结合甲基丙烯酸钠（SMa）来制造新型的亲水性按需生物降解纳米纤维膜，用于高效油水分离。羧基与壳聚糖上的胺基建立连接，发生自由基聚合反应，另外通过一系列加成反应形成亲水性互穿网络结构。得益于亲水交联网络结构，所制备的膜在分离含有表面活性剂的稳定油水乳液时，表现出优异的分离性能。此外，CS/PVA-SMa 纳米纤维膜还能在土壤中经过40天得到有效的降解。因此为解决油水分离问题提供了一条对环境友好的途径，具有潜在的应用前景。

图2：不同SMa浓度下纳米纤维膜的SEM图像和粗糙度变化。

通过静电纺丝技术制备的CS/PVA-SMa纳米纤维膜，SEM图像显示随着 SMa添加量的增多，纳米纤维周围逐渐出现明显的交联结构。在电纺丝过程中，经掺杂甲基丙烯酸钠改性的 CS/PVA-SMa 膜的结构与之前报道的 CS/PVA 纳米纤维膜不同，经过一系列交联反应形成互穿网络结构。此外，表面粗糙度的增大对改善膜的润湿性具有显著优势，这意味着它们在油水分离应用过程中具有一定潜力。

图3：CS/PVA-SMa纳米纤维膜的油水分离性能。

图3显示了纳米纤维膜对水包正辛烷、水包甲苯和水包氯仿三种油水乳液的分离性能测试结果，渗透通量最高约为2.1(104 L·m-2·h-1·bar-1，分离效率超过 99.5%，尤其是在 SMa 浓度为2.4%的改性条件下，膜的分离性能最优，分离效率可达到 99.7%。同时，水包油乳液的分离通量和分离效率在20次循环后可保持在初始值90%以上。在分离过程之后,  CS/PVA-SMa 膜的油滴粒径分布范围在78~132 nm之间。

图4：制备的CS/PVA-SMa 纳米纤维膜降解过程。

此外，制备的CS/PVA-SMa膜在暴露于土壤中时，40 天内可以得到完全降解，表现出可按需生物降解的特性。因此，可适用于需要内在生物降解性的不同应用，具有绿色可持续应用的前景。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s42114-024-01019-w

人物简介：

程喜全，男，1988年5月， 教授/博士生导师，哈尔滨工业大学（威海）海洋科学与技术学院副院长，中欧膜技术研究院研究员。

在分离膜结构精细调控增效界面传质过程方向展开系列研究工作，从分子设计角度出发结合界面工程，深入调节了分离膜孔径微结构与表面性质，改善了分离膜与溶剂（水）的亲和性，突破了分离膜的限域传质效应，解决了分离膜污染问题。申请人在Science, Science Advances, Progress in Materials Science，ACS Nano等国际知名期刊发表高水平学术论文40余篇，连续入选斯坦福-爱思唯尔2022年和2024年TOP2%科学家。获黑龙江省自然科学二等奖1项（排名第二），中国膜工业协会科学技术一等奖1项（排名第五），威海市自然科学优秀学术成果一等奖1项（排名第一）、二等奖1项（排名第一），获授权发明专利30余项。