高(gāo)分(fēn)子(zǐ)科(kē)學前沿5月(yuè)11日(rì)訊：含油污水(shuǐ)對(duì)脆弱的(de)生(shē ng)态系統構成重大(dà)威脅，并可(kě)能(néng)降低(dī)全球水(shuǐ)-食物(wù)-能(néng)源關系和(hé)水(shuǐ)-土(tǔ)壤-廢物(wù)之間(jiān)的(λde)聯系。開(kāi)發超親水(shuǐ)和(hé)超疏油水(shuǐ)下(xià)材料是(shì)實現α(xiàn)水(shuǐ)包油乳液分(fēn)離(lí)的(de)有(yǒu)效策略，并已應用(yòng)于工(gōng)業(yè)含油污水(shuǐ)≥處理(lǐ)。基本的(de)分(fēn)離(lí)原理(lǐ)主要(yào)依靠超親水(shuǐ)性，水(s​huǐ)可(kě)以順利通(tōng)過材料內(nèi)部的(de)孔隙結構和(hé)縫隙，在材料表面形成水(shuǐ)化(huà)層，阻止油的(de)通(tōng)過。然✘後，微(wēi)孔和(hé)小(xiǎo)孔産生(shēng)的(de)毛細管力和(hé)高(gāo)比表面積可(kě)以産生(shēng)乳液破乳作(zuò)用(yòng₹)，有(yǒu)利于乳液分(fēn)離(lí)。然而，結垢是(shì)制(zhì)約超親水(shuǐ)材料應用(yòng)的(de)主要(yà♠o)因素。引入親水(shuǐ)性官能(néng)團和(hé)增加表面粗糙度有(yǒu)助于提高(gāo)材料表面的(de)親水(shuǐ)性，從(cóng↑)而提高(gāo)抗污能(néng)力。

在此,哈工(gōng)大(dà)邵路(lù)等人(rén)提出了(le)一(yī)種主動防污機(jī)制(zhì)，賦予超親✔水(shuǐ)膜對(duì)遷移粘性原油污垢的(de)防污能(néng)力。通(tōng)過模拟大(dà)麗 (lì)花(huā)葉的(de)層次結構/化(huà)學成分(fēn)，膜表面裝飾有(yǒu)皺紋圖案微(wēi)粒，展示了(le)基于協同水(shuǐ)化(huà)δ層/空(kōng)間(jiān)位阻的(de)獨特主動防污機(jī)制(zhì)。納米級皺紋圖案降低(dī)‌了(le)表面粗糙度并增加了(le)膜表面與水(shuǐ)分(fēn)子(zǐ)之間(jiān)的(de)接觸面積，擴大(↕dà)了(le)油分(fēn)子(zǐ)與膜表面之間(jiān)的(de)空(kōng)間(jiān)位阻。成功地(d ì)抑制(zhì)油品在膜表面的(de)初始粘附、遷移和(hé)沉積，無論粘度如(rú)何，實現(x♦iàn)遷移粘性原油防污。該膜可(kě)實現(xiàn)原油/水(shuǐ)乳液的(de)高(gāo)效分(fēn)離(lí")，通(tōng)量達到(dào)7247 L m−2 h−1 bar，截留率為(wèi)99.6%。這(zhè)項關于PFP機(jī)制(z hì)的(de)研究為(wèi)實現(xiàn)超潤濕材料在環境、能(néng)源、健康等相(xiàng)關領域的(de)各種應用(yòng)開(kāi)辟了(le)道(dào)路(÷lù)。該研究以題為(wèi)“Surface manipulation for prevention of migratory viscous↕ crude oil fouling in superhydrophilic membranes”的(de)論文(wén)發表在《Nature Communicatio‌ns》上(shàng)。

受大(dà)麗(lì)花(huā)葉超親水(shuǐ)性的(de)啓發，開(kāi)發了(le)具有(yǒu)皺紋Ω圖案的(de)光(guāng)滑親水(shuǐ)微(wēi)粒，并将其塗覆在多(duō)孔微(wēi)濾膜(MF)上(shàng)，建立了(le)非典型的(d≥e)超親水(shuǐ)性，這(zhè)種超親水(shuǐ)性由抑制(zhì)粘性原油液滴的(de)吸附、遷移和(hé)聚集的(&de)“主動防污”(PFP)機(jī)制(zhì)支撐。具體(tǐ)而言，基于傳統的(d♠e)PRF機(jī)制(zhì)，通(tōng)過咖啡酸(CA)和(hé)不(bù)同(0.4、0.8 和(h®é) 1.6 g)的(de)(3-氨基丙基)三乙氧基矽烷(APTES)聚合形成光(guāng)滑的(de)親水(shuǐ)微(wēi)粒，并将其命名為(€wèi)PCA /AP0.4、PCA/AP0.8和(hé)PCA/AP1.6。它們被塗在初級超親水(s€huǐ)膜(PCA/APX MF)上(shàng)。然後，在光(guāng)滑的(de)PCA/AP表♥面上(shàng)描繪出皺紋圖案。此類微(wēi)粒表示為(wèi)皺紋圖案微(wēi)粒(WPM X)，包含此類具有(yǒu)不(bù)同$表面皺紋程度的(de)微(wēi)粒的(de)改性膜表示為(wèi)WPM X MF。

WPM II MF形成皺紋圖案以提高(gāo)原油抗污能(néng)力和(hé)分(fēn)離(lí)性能(néng)的(de)機(jī)理(lǐ)可(kě)歸納為(wèi)：首先，适當降>低(dī)表面粗糙度以擴大(dà)膜表面與油分(fēn)子(zǐ)之間(jiān)的(de)空(kōng)間(jiān)位阻相(xiàng)互作(zuò)用(yòng)。其★次，增加膜表面與水(shuǐ)分(fēn)子(zǐ)之間(jiān)的(de)接觸面積，以增強膜表面附近(jìn)的(de)水(shuǐ)分(fēn€)子(zǐ)密度和(hé)氫鍵(HB)的(de)強度。這(zhè)種緊密結合的(de)水(shuǐ)合層和(hé)空(kōng)間(jiān)位阻鍵保護膜免受原油污染。

圖 1 |防止膜油污染的(de)機(jī)制(zhì)示意圖

小(xiǎo)結

為(wèi)了(le)克服傳統PRF機(jī)制(zhì)在遷移粘性原油污染方面的(de)瓶頸，該研究将超親水(±shuǐ)性和(hé)微(wēi)/納米尺度的(de)分(fēn)層結構相(xiàng)結合，以創建基于水(shuǐ)化(huà)層和(hé)足夠空(kōn'g)間(jiān)位阻相(xiàng)互作(zuò)用(yòng)之間(jiān)協同作(zuò)用(yòng)的(de)PFP機(jī)制(zhì)。在光(guāng)滑的(d±e)微(wēi)粒表面上(shàng)勾勒出的(de)皺紋圖案可(kě)以增加水(shuǐ)分(fēn)子(zǐ)與膜表面之間(jiān)的(de)接★觸面積，進一(yī)步産生(shēng)緻密的(de)水(shuǐ)化(huà)層并增加膜表面與油分(fēn)子(zǐ)之間(jiān)的(de)空(δkōng)間(jiān)位阻相(xiàng)互作(zuò)用(yòng)。最後，水(shuǐ)化(huà)層和(hé)位阻相(xiàng)輔相(xiàng)成，抑制(zhì)原油在表面的(de)初↔始吸附、遷移和(hé)沉積，無論黏度如(rú)何，達到(dào)抵抗遷移原油污染的(de)目的(de)。​該超親水(shuǐ)膜表現(xiàn)出7247 L m −2 h −1 bar的(de)透水(shuǐ)性和(hé)精确的(de)原油/水(shuǐ)乳液分(fē✘n)離(lí)。研究人(rén)員(yuán)可(kě)以将這(zhè)種引入皺紋表面圖案的(de)概念擴展到(dào)微(wēi)滴控制(zhì)、柔性可(kě)穿戴設γ備、生(shēng)化(huà)防護、執行(xíng)器(qì)等領域，進一(yī)步拓展超潤濕性的(de)應用(yòng)。