苏州纳米所考研难度，苏州大学纳米所考研难度
工业和日常生活中产生的含油废水对生态系统和人类健康造成了严重的破坏，膜分离技术是一种通过分级筛分机制对乳化油进行高效分离的传统分离技术。然而，不可避免的油膜污染严重威胁着油水分离膜的水通量稳定性，导致其分离效率低、能耗高。
苏州大学靳健教授课题组和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所朱玉长副研究员团队合作，提出了一种“双重防御”的设计，将聚两性离子刷和水凝胶的结构分层整合在膜表面，以建立一个有效的防油屏障。制备的PVDF-pHEMA gel-pSB brush膜不仅具有优异的耐油性和自洁特性，其通过不同类型的水包油乳剂时的膜通量衰减几乎为零并伴有1000 Lm −2h −1bar −1左右的高通量，多次运行周期后的回收率均大于90%，表现出了迄今为止最优异的耐油性。相关工作以“Double-Defense Design of Super-Anti-Fouling Membranes for Oil/Water Emulsion Separation”发表在《Advanced Functional Materials》。
【PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜的设计、制备和结构表征】
在PVDF-pHEMA gel-pSB brush膜中，最外层柔韧的聚磺基甜菜碱(pSB)刷的强水合作用防止油的粘附，形成了“第一防御”层；通过碱处理(PVDF-烯烃基)使PVDF-pHEMA-co-pAA膜与2-羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)和丙烯酸共聚后，通过酰胺化与乙二胺交联得到pHEMA水凝胶层覆盖膜(PVDF-pHEMA gel)形成“第二次防御”进一步抵抗油污。pSB刷接枝的pHEMA水凝胶层均匀地覆盖在PVDF基板上，为构建强抗油屏障以抵抗堆积滤饼层奠定了良好的基础。
图1 PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜的制备及其“双重防御”机制示意图
【PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜的润湿性、疏油性和自洁性】
PVDF-pHEMA gel-pSB brush膜不仅具有较好的润湿性，在水下充分水化后，膜表面还表现出超疏油性，水下油接触角达到155°。
视频1 PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜的超疏油性
PVDF-pHEMA gel-pSB brush膜的“双重防护”屏障高度覆盖薄膜表面，膜表面能够承受连续的冲击。由此不难推测，在真实的错流过滤环境下，PVDF-pHEMA gel-pSB brush膜表面会有效地排斥油滴，防止形成滤饼层。
视频2 PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜可有效排斥油滴
除此之外，自洁定义了油污染膜在水中自动恢复其清洁状态的能力。无论是在水中还是完全干燥的情况下，PVDF-pHEMA gel-pSB brush膜表面都能很好地对原油进行自清洁，扩散的原油斑块浸入水中后迅速收缩，并以球形液滴形式从膜表面逃逸出来，这意味着高度覆盖的“双密度”层可以有效地隔离膜基质与油。
视频3和视频4 PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜湿表面和干燥表面的自清洁特性
图2 PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜的润湿性、疏油性和自洁性
【PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜对水包油乳剂的分离性能及其原理】
“双重防御”赋予膜对累积滤饼层的强大阻力，以防止油水分离时水通量下降。在0.2 bar的外加压力下，PVDF-pHEMA gel-pSB brush膜在2 h内进行了非常稳定的分离，渗透通量几乎一直保持在1100 Lm −2h −1bar −1以上，两次过滤后膜的有效通量回收率高达99.1%。可见，PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜能经受油乳剂的反复挑战，使膜通量下降接近于零，且水通量回收率较高。这是因为“双重防御”策略可以使原本疏水的基质表面消除任何油滴粘附的机会。
图3 PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜在错流过滤环境下的分离性能
与其他表面活性剂稳定的烷烃水包油乳相比， PVDF-pHEMA gel-pSB brush膜表现出更优异的循环分离性能，渗透通量稳定、下降低、回收率高，同时，由于滤液含油量低，分离效果也较好。即使在恶劣的挥发性水包油乳液错流过滤条件下，PVDF-pHEMA gel-pSB brush膜2h的渗透通量均保持良好，渗透通量几乎没有下降，基本不形成滤饼层，膜洗后的回收率达到90%以上。
图4 PVDF-pHEMAgel-pSBbrush膜对中药挥发性水包油乳化乳剂错流过滤条件下的分离性能
【小结】
本研究提出的基于聚合物刷与水凝胶结合的“双重防御”策略，使膜表现出了迄今为止最优异的耐油性。它启发了一种设计超级防污油水分离膜的新策略。以后再也不怕黏糊糊的油污了！
–纤维素–
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原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113247
来源：高分子科学前沿
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