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天工大林立刚研究员团队在油水分离膜改性上获新进展
《高分子科技》微信公众号 / 时间:2019-09-19 10:51:07

  据高分子科技微信公众平台2019年8月19日讯 随着全球经济的快速发展,大量的含油污水被排放,同时海洋原油泄漏事件频发,对生态环境和人类的健康造成了严重威胁,油水分离作为世界性难题一直是工业界和科学界关注的热点。利用膜分离技术来实现油水分离被认为是最具前景的分离手段之一,然而,传统的膜分离材料在油水分离过程中易发生膜污染,导致膜通量和分离效率急剧降低,且传统分离膜在选择性/渗透性方面很难做到最优化,高选择性和高渗透性往往难以兼得。因此,构建抗污染且有效打破“选择性-渗透性权衡效应”的分离膜是实现高效油水分离的关键。
  林立刚研究员团队提出一种基于聚轮烷(PR)动态结构的膜改性策略(图1),设计了滑动超分子聚合物刷(SSPB),并通过叠氮化物-炔烃点击化学反应将其引入膜中,同步提高了乙烯乙烯醇共聚物(EVAL)膜的渗透性、选择性和防污性能。聚轮烷具有长的线性结构,沿着其线性聚乙二醇(PEG)主链有许多自由滑动和旋转的环糊精环状分子(α-CDs),将其引入膜中后,具有亲水/疏油的自移动“分子笼”三维结构形成具有高渗透性、抗污染的“动态”表面,“动态”表面有效地减少了膜表面与油和蛋白质的直接接触,防止了油滴和蛋白质的粘附,同时,SSPB特异结构可主动排除油分子、捕获水分子,这有助于水分子通过膜,进而提高膜性能。


天工大林立刚研究员团队在油水分离膜改性上获新进展

图1.(A)EVAL-SSPB膜示意图,(B)、(C)EVAL-SSPB膜油水分离过程示意图。


  当油滴与膜表面接触时,EVAL-SSPB膜表现出水下油滴快速滑移行为。所有重复实验表明,EVAL-SSPB膜表面没有明显的油粘附(图2A)。EVAL-SSPB膜表面与油之间的粘附力较低,导致油滴滑下表面。相比之下,EVAL膜表面的油滴保持半球形,并且长时间油滴没有移动迹象(图2B),很难从表面去除附着的油。如图2D所示,油滴在EVAL-SSPB膜表面保持球状,油接触角大于150°,表现出水下超疏油性。经过错流过滤,用去离子水清洗膜2h,图2C显示了油污染前后EVAL和EVAL-SSPB膜的污染情况,EVAL膜表面沉积了大量的红色染油,而EVAL-SSPB膜表面的污垢较少。


天工大林立刚研究员团队在油水分离膜改性上获新进展

图2.油滴(染成红色)分别从(A)EVAL-SSPB膜表面和(B)EVAL膜表面滑动照片;(C)油污染前后的膜表面;(D)EVAL-SSPB膜的油接触角。


  此外,膜的稳定性在实际油水分离中起着重要作用,如图3所示,EVAL-SSPB膜经过15个循环后仍能保持水下超疏油性能,膜的油水分离率仍大于95%,这表明该膜具有良好的稳定性和可重复利用性。


天工大林立刚研究员团队在油水分离膜改性上获新进展

图3.EVAL-SSPB膜对SDS水乳状三氯甲烷的稳定性


  经过过滤后,EVAL-SSPB膜的纯水通量恢复率为81%,而EVAL膜的纯水通量恢复率仅为67.1%,表明EVAL-SSPB膜对牛血清蛋白具有良好的防污性能(图4a)。同样对于分离油水乳状液,对油的防污性能也很重要。本工作还制备了EVAL-40%辛醇和EVAL-alk膜,比较其油水分离效果,这两种膜在分离过程中通量都出现了急剧下降,这归因于未过滤的油滴逐渐粘附并沉积在膜孔上,导致膜孔堵塞(图4d),然而,EVAL-SSPB膜过滤后滤液变得非常清澈,表明油和SDS已成功地从乳液中去除,并且其水通量和油水SDS通量均高于其它膜,如图4c,简单的水洗可使膜的初始通量几乎完全恢复(FRR=97~99%)。我们得出结论:EVAL-SSPB膜表现出优异的油水乳液分离性能,有效地打破“选择性-渗透性权衡效应”,这得益于PR的特异结构及其对水传质通道和分子之间粘附力的优化。


天工大林立刚研究员团队在油水分离膜改性上获新进展

天工大林立刚研究员团队在油水分离膜改性上获新进展

图4.分离过程中不同膜的渗透通量随时间的变化:(A)BSA和(C)大豆油水乳状液;(B)BSA通量和BSA截留率;(D)大豆油水乳状液通量和截留率。


  以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces,2019, DOI: 10.1021/acsami.9b08865.上。论文的第一作者为天津工业大学材料学院博士生马思思,通讯作者为林立刚研究员。