溢油事故的頻繁發生和工業含油廢水排放量的不斷增加對全球環境和人類健康造成了重大的損失。因此，實現高效的油水分離是一項緊迫的任務。膜技術因其操作簡單、分離效率高、機械靈活、易于集成等優點而引起人們的特別興趣。膜污染與滲透性和選擇性之間的“權衡”效應仍然是膜基油水分離的兩個瓶頸問題。為了克服這些限制，非常需要開發具有高性能（高滲透性和防污性）的環保膜，用于油/水分離。

浙江師范大學地理與環境科學學院林紅軍教授膜法課題組在Nano Energy期刊上發表了題為“Three dimension-printed membrane for ultrafast oil/water separation as driven by gravitation（重力驅動下用于超快油水分離的3D打印膜）”的研究論文。

 亮點

1.采用3D打印技術和等離子體改性法，無需使用任何化學藥品制備。
2.改性膜的水接觸角（WCA）為8.8°，水下油接觸角（UOCA）為137.6°。
3.首次引入接觸起電（CE）理論來解釋膜分離過程。
4.改性膜表現出高達117304 L·m-2·h-1的超高通量和超過99.60%的分離效率。
5.改性膜在100次循環4個月連續測試后仍保持超過99.40%的分離效率。

 圖文解析

研究團隊應用三維（3D）打印技術，開發出一種通過等離子改性而無需化學藥品消耗的生態友好的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）膜。

改性膜表現出優異的親水性和水下疏油性(如圖1所示)，水接觸角為8.8°，水下油接觸角為137.6°。僅靠重力驅動，改性膜在五種典型油水體系中表現出1.17×105 L·m-2·h-1的超高通量和高達99.60%的分離效率。在四個月期間的100次循環測試中，其分離效率能夠保持在99.40%不變，展示了膜的卓越穩定性和可循環利用性。

這種膜在油水分離方面遠遠優于所有最先進的膜。值得注意的是，該文首次引入液體和固體（L-S）界面在接觸電化（CE）過程中的電子轉移現象來解釋解釋膜分離過程。

如圖2所示，通過熔融堆積技術制備打印膜，這些膜是由ABS細絲的堆疊和交織組成的，并通過調整ABS材料絲之間的打印空間形成了不同尺寸的膜孔。通過SEM圖像可以看出，原膜膜表面相對光滑，等離子體處理后，膜表面變得更粗糙，甚至顯示出泡沫狀納米結構（圖1h（III））。根據Wenzel模型，改性后的粗糙表面是提高膜防污能力的有利因素。

   如圖3所示，根據楊-拉普拉斯方程，原膜是一種親油和疏水膜，這意味著其接觸角θ<90°，Δp<0。在這種情況下，Δp力的方向是向下的。相比之下，改性膜是一種親水和疏油膜，其接觸角θ>90°，Δp>0。Δp力的方向是向上的。因此，在Δp的作用下，油滴可以通過一個FΔp的力被拉/推移。CE現象表明，在液-固界面存在電子轉移。在CE過程中，水分子接觸膜表面可能導致電子云的重疊，因此膜表面可以從水中獲得電子。此外，由于等離子體改性提供了大量的羧基基團，通過電離使膜更帶負電性。在靜電吸附力下形成雙電層（EDL），水分子可以牢固地吸附在膜表面形成的水合層。因此，水可以優先接觸膜，并以極高的速度穿過膜孔，導致極高的通量，而油則被水合層截留在膜表面。

文章來源：國際仿生工程學會

原文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552300188X
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