超親水梯度孔分離膜微結(jié)構(gòu)及其乳化油水分離性能

日常生活及生產(chǎn)過程中產(chǎn)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(shù)由于其突出的分離效率高、運作成本低、設(shè)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(lǐng)域展現(xiàn)出極大潛力。

如何通過膜法實現(xiàn)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(zhì)是界面問題，除利用特殊浸潤性對油和水呈現(xiàn)完全相反的潤濕行為構(gòu)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(zhì)的潤濕性及所具微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、油滴尺寸與油水分離效率的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，對于實際含油廢水的膜法處理應(yīng)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(shè)計并制備了孔徑不同的系列膜孔呈梯度微納珠狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔徑沿徑向截面從外層到內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(zhuǎn)化可控制備了系列不同孔徑大小的超親水、梯度微結(jié)構(gòu)中空纖維聚砜膜，并將其直接應(yīng)用于油水乳液體系，深入探究其微結(jié)構(gòu)與分離性能的內(nèi)在規(guī)律，以期為膜法油水分離應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。實驗結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)等均會影響實際油水分離效果，但本質(zhì)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(yīng)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(jié)構(gòu)與油滴尺寸之間的匹配內(nèi)在關(guān)系，可為膜法高效油水分離的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

相關(guān)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(jié)構(gòu)與油滴尺寸之間的匹配關(guān)系