石油、冶金、食品、制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程會(huì)產(chǎn)生大量的含油廢水。其中，乳化劑穩(wěn)定的油水乳液在后續(xù)處理時(shí)最為棘手。乳液的排放不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。因此，在綠色、可持續(xù)發(fā)展的背景下，如何高效、同步回收穩(wěn)定乳液中的油和水，成為分離科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域近百年來亟待攻克的一大難題。

浙江大學(xué)教授徐志康，百人計(jì)劃研究員楊皓程、張超所在的聚合物分離膜及其表界面工程團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)膜分離范式，提出了一種基于親水膜/疏水膜組成的限域空間狹縫(Janus Channel of Membranes, JCM)的新概念與原型器件，從而發(fā)展了一類簡單且高效的油水乳液同步分離技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了97%的油回收和75%的水回收。相關(guān)研究成果以“Janus Channel of Membranes Enables Concurrent Oil and Water Recovery from Emulsions”為題，發(fā)表于 Science。

突破性“狹縫”分離新器件

油水乳液是一種相對(duì)穩(wěn)定的油水混合物，主要分為水包油和油包水兩種類型。要將油水乳液中的油相和水相同步高效分離尤為困難。迄今為止，較為成熟的油水乳液分離技術(shù)包括化學(xué)絮凝、電聚結(jié)與離心分離等，此外，許多研究也聚焦于開發(fā)各種各樣的分離膜材料及膜分離技術(shù)。

然而，這些方法通常只能分離出乳液中的部分油相或部分水相，剩余廢液仍需進(jìn)一步處理或被直接排放，距離實(shí)現(xiàn)“零液排放”與資源全回收的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)仍有很大的差距。

徐志康教授團(tuán)隊(duì)在聚合物分離膜及其表界面工程領(lǐng)域深耕二十余年，通過分離膜表面工程技術(shù)，研發(fā)了一系列超親水的分離膜材料，可從水包油乳液中選擇性的分離水相。同時(shí)，他們也研發(fā)出一種表面性質(zhì)迥異、一面親水一面疏水的“兩面神”非對(duì)稱多孔膜，能夠?qū)崿F(xiàn)水包油乳液中分散油滴的捕獲與分離。

然而，上述研究仍只能實(shí)現(xiàn)有水乳液中單一組分的分離。隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和研究的不斷深入，團(tuán)隊(duì)成員創(chuàng)新性提出，是否可以嘗試用一張親水膜和一張疏水膜共同組成雙向水油分離系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水、油同步分離？

通過大量實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在親水膜和疏水膜所共同組成的狹縫空間中分離水包油乳液時(shí)，當(dāng)狹縫寬度較大，親水膜和疏水膜之間互不干涉，分離效率低。但是，當(dāng)狹縫寬度從100 mm以上逐步縮小至4 mm時(shí)，水、油回收效率發(fā)生了質(zhì)的飛躍。疏水側(cè)的油回收率從5%大幅提升至97%，親水側(cè)的水回收率也從19%提高至75%。

“基于親水膜/疏水膜組成的限域空間狹縫實(shí)現(xiàn)水油雙向同步分離，對(duì)于膜科學(xué)領(lǐng)域而言，是分離概念和器件的重大突破與創(chuàng)新。”徐志康說。

神奇“狹縫”的作用機(jī)理

為進(jìn)一步探究狹縫的作用機(jī)理，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，隨著親水膜和疏水膜間距不斷縮小，狹縫的“擠壓”作用在乳滴破乳分離中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

以分離水包油乳液為例，在狹小空間內(nèi)，隨著水在親水膜一側(cè)的導(dǎo)出，料液中乳滴的局部濃度迅速增加，同時(shí)狹窄空間進(jìn)一步提升了乳滴的碰撞概率。二者協(xié)同作用使乳液的“濃縮-聚并-破乳-分離”過程得到了顯著強(qiáng)化。

那么，親水膜與疏水膜對(duì)分離過程起著怎么樣的作用呢？

團(tuán)隊(duì)分別構(gòu)建了僅具有單側(cè)親水膜或單側(cè)疏水膜的狹縫，發(fā)現(xiàn)盡管狹縫的“擠壓”能夠增強(qiáng)單一親水膜或疏水膜的分離效率，但其油水回收率仍顯著低于同時(shí)存在親水膜與疏水膜的狹縫。特別是在乳化劑含量較高時(shí)，雖然三種狹縫的水、油回收率均有所下降，但相較于單一膜構(gòu)建的狹縫，親水/疏水雙膜狹縫的水、油回收率降幅較小，展現(xiàn)出其處理穩(wěn)定乳液的顯著優(yōu)勢(shì)。

值得一提的是，團(tuán)隊(duì)意外的發(fā)現(xiàn)分離過程中，親水膜移除水相導(dǎo)致乳液濃度增加，促進(jìn)了乳滴的碰撞、聚并和破乳，提升了油相的滲透通量。與此同時(shí)，油相的持續(xù)移除又有助于降低膜表面的乳液濃度，進(jìn)而減輕了因濃差極化現(xiàn)象對(duì)親水膜滲透通量的抑制作用。該過程中形成了一種積極的“正向反饋機(jī)制”，使得同步分離效率大幅提高。

“這個(gè)系統(tǒng)用到的膜材料簡單，分離高效，能夠廣泛應(yīng)用于不同類型的水包油和油包水乳液體系。”楊皓程介紹，當(dāng)親水膜的表面電荷與乳化劑的荷電性一致時(shí)，膜的抗污染性能得到顯著提升，從而表現(xiàn)出更高的分離效率。

“表面界面連枝花，油水分離不離她；親水疏水膜狹縫，弦歌不輟灼芳華。”徐志康表示，這項(xiàng)研究是團(tuán)隊(duì)多年沉淀后的又一重大發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境保護(hù)、資源回收等多個(gè)領(lǐng)域都具有非常廣闊的應(yīng)用前景，團(tuán)隊(duì)成員將繼續(xù)深入研究，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和落地轉(zhuǎn)化。

該論文的第一作者為浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系2022級(jí)碩博連讀生郭馨宇，楊皓程、張超、徐志康為共同通訊作者。大連理工大學(xué)副教授趙磊協(xié)助計(jì)算了液滴的碰撞概率，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系百人計(jì)劃研究員梁洪卿和化學(xué)系教授吳健參與器件的設(shè)計(jì)與課題討論，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系博士后李浩南參與了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委-浙江省區(qū)域創(chuàng)新聯(lián)合基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和廣東省自然科學(xué)基金的資助。