超親水梯度孔分離膜微結構及其乳化油水分離性能

日常生活及生產過程中產生的含油廢水對生態(tài)環(huán)境造成極大的危害，使得油水分離成為亟待解決的社會和科學問題。近來膜分離技術由于其突出的分離效率高、運作成本低、設備可集成化、可處理油水乳液等優(yōu)勢，使其在未來的油水分離領域展現出極大潛力。

如何通過膜法實現油水的高效分離一直都是材料及化工方向研究者的研究熱點之一。油水分離的本質是界面問題，除利用特殊浸潤性對油和水呈現完全相反的潤濕行為構建具有特殊浸潤性表面的聚合物膜外，所用聚合物膜材料本質的潤濕性及所具微結構對于油水分離過程中油水表觀浸潤性的影響也不可忽視。因此，探索聚合物膜孔微結構、油滴尺寸與油水分離效率的內在關聯，對于實際含油廢水的膜法處理應用具有十分重要的科學意義和實用價值。基于此，黃小軍副教授研究團隊設計并制備了孔徑不同的系列膜孔呈梯度微納珠狀網絡結構，孔徑沿徑向截面從外層到內層梯度增大，分離層膜孔遠小于支撐層孔徑，且支撐層微孔結構具有較高孔隙率的不對稱、超親水中空纖維梯度微濾膜，并將其應用于油水分離中相對最難處理的乳化油水分離中。

本研究中，通過濕法相轉化可控制備了系列不同孔徑大小的超親水、梯度微結構中空纖維聚砜膜，并將其直接應用于油水乳液體系，深入探究其微結構與分離性能的內在規(guī)律，以期為膜法油水分離應用研究提供理論依據。實驗結果表明，該不對稱、超親水中空纖維梯度微濾膜由于其特殊的梯度不對稱微孔結構能夠有效降低膜孔道被污染堵塞的幾率，具有較佳的油水分離性能。膜孔尺寸及其寸分布、微結構等均會影響實際油水分離效果，但本質上通過臨界擊穿壓力直接作用。最重要的是，當油滴大小與膜孔尺寸相匹配的條件下，即所用乳化油水粒徑與所用膜孔大小的比值（0.71）與通過相應臨界突破壓力值理論計算所得表面接觸角的余弦值（0.72），膜材料水下油接觸角的余弦值（0.65）相近時，膜對油水分離效率最佳(圖1所示)。聚合物膜孔微結構與油滴尺寸之間的匹配內在關系，可為膜法高效油水分離的實際應用提供理論依據。

相關工作“The microstructure-performance relationships of hollow fiber membranes with highly efficient separation of oil-in-water emulsions”發(fā)表在J Appl. Poly. Sci.（2019, DOI: 10.1002/app.47615，作者：洪曉，高巧靈，吳慧敏, 郭義宗, 黃賦，方飛，黃華婷, 陳大競, 黃小軍*）

圖1油水分離過程中梯度孔聚合物膜微結構與油滴尺寸之間的匹配關系