【前沿】浙江师范大学开发出重力驱动下用于超快油水分离的3D打印膜

近日，浙江师范大学地理与环境科学学院林红军教授膜法课题组与中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组，和香港大学汤初阳教授合作在Nano Energy期刊上发表了题为“Three dimension-printed membrane for ultrafast oil/water separation as driven by gravitation（重力驱动下用于超快油水分离的3D打印膜）”的研究论文，浙江师范大学为第一署名单位。Nano Energy是能源领域的顶级期刊，为SCI一区TOP期刊，最新影响因子为19.069。

研究生韩磊为第一作者，申利国教授、林红军教授，王中林院士为通讯作者。程廷海、温建明、曾千千（研究生）、徐艳超、李仁杰、张媚佳、洪华嫦、汤初阳为联合作者。

本研究的图形摘要

面对全球每年高达数百万吨的废油废水排放，开发具有防污染性能、经济环保、分离效率高的油水分离技术具有重要意义。

本文应用三维（3D）打印技术，开发出一种通过等离子改性而无需化学药品消耗的生态友好的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）膜。

改性膜表现出优异的亲水性和水下疏油性，水接触角为8.8°，水下油接触角为137.6°。

如图1所示，仅靠重力驱动，改性膜在五种典型油水体系中表现出1.17×10⁵ L·m^-2·h^-1的超高通量和高达99.60%的分离效率。在四个月期间的100次循环测试中，其分离效率能够保持在99.40%不变，展示了膜的卓越稳定性和可循环利用性。

图1. （a）5种不同油水混合液的分离效率；（b）四个月100次循环测试中的分离效率；（c）与文献报道的分离效率及水通量的对比

值得注意的是，该研究首次引入液体和固体（L-S）界面在接触电化（CE）过程中的电子转移现象来解释膜分离过程。

如图2所示，根据杨-拉普拉斯方程，原膜是一种亲油和疏水膜，这意味着其接触角θ<90°，Δp<0。在这种情况下，Δp力的方向是向下的。相比之下，改性膜是一种亲水和疏油膜，其接触角θ>90°，Δp>0。Δp力的方向是向上的。因此，在Δp的作用下，油滴可以通过一个FΔp的力被拉/推移。CE现象表明，在液-固界面存在电子转移。在CE过程中，水分子接触膜表面可能导致电子云的重叠，因此膜表面可以从水中获得电子。

此外，由于等离子体改性提供了大量的羧基基团，通过电离使膜更带负电性。

在静电吸附力下形成双电层（EDL），水分子可以牢固地吸附在膜表面形成的水合层。

因此，水可以优先接触膜，并以极高的速度穿过膜孔，导致极高的通量，而油则被水合层截留在膜表面。 

图2.（a）原膜和(b)改性膜的油水分离过程的油水分离过程机理图；(c)原膜和(d)改性膜油水分离过程中油滴的受力分析图

浙师大林红军教授膜法课题组主要从事基于膜分离技术的环境工程和环境材料相关研究，近5年来已在相关领域顶刊上发表了100多篇学术论文，取得了一系列重要进展。

相关研究成果得到了国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金重大项目、浙江省杰出青年基金、浙江省重点研发计划项目、浙江省万人科技创新领军人才项目的资助。

（来源：浙江师范大学地理与环境科学学院）

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本文由丨工业水处理丨精编发布

编辑：文海｜审核：麦西夫

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