溢油事故的频繁发生和工业含油废水排放量的不断增加对全球环境和人类健康造成了重大的损失。因此，实现高效的油水分离是一项紧迫的任务。膜技术因其操作简单、分离效率高、机械灵活、易于集成等优点而引起人们的特别兴趣。膜污染与渗透性和选择性之间的“权衡”效应仍然是膜基油水分离的两个瓶颈问题。为了克服这些限制，非常需要开发具有高性能（高渗透性和防污性）的环保膜，用于油/水分离。

浙江师范大学地理与环境科学学院林红军教授膜法课题组在Nano Energy期刊上发表了题为“Three dimension-printed membrane for ultrafast oil/water separation as driven by gravitation（重力驱动下用于超快油水分离的3D打印膜）”的研究论文。

 亮点

1.采用3D打印技术和等离子体改性法，无需使用任何化学药品制备。
2.改性膜的水接触角（WCA）为8.8°，水下油接触角（UOCA）为137.6°。
3.首次引入接触起电（CE）理论来解释膜分离过程。
4.改性膜表现出高达117304 L·m-2·h-1的超高通量和超过99.60%的分离效率。
5.改性膜在100次循环4个月连续测试后仍保持超过99.40%的分离效率。

 图文解析

研究团队应用三维（3D）打印技术，开发出一种通过等离子改性而无需化学药品消耗的生态友好的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）膜。

改性膜表现出优异的亲水性和水下疏油性(如图1所示)，水接触角为8.8°，水下油接触角为137.6°。仅靠重力驱动，改性膜在五种典型油水体系中表现出1.17×105 L·m-2·h-1的超高通量和高达99.60%的分离效率。在四个月期间的100次循环测试中，其分离效率能够保持在99.40%不变，展示了膜的卓越稳定性和可循环利用性。

这种膜在油水分离方面远远优于所有最先进的膜。值得注意的是，该文首次引入液体和固体（L-S）界面在接触电化（CE）过程中的电子转移现象来解释解释膜分离过程。

如图2所示，通过熔融堆积技术制备打印膜，这些膜是由ABS细丝的堆叠和交织组成的，并通过调整ABS材料丝之间的打印空间形成了不同尺寸的膜孔。通过SEM图像可以看出，原膜膜表面相对光滑，等离子体处理后，膜表面变得更粗糙，甚至显示出泡沫状纳米结构（图1h（III））。根据Wenzel模型，改性后的粗糙表面是提高膜防污能力的有利因素。

   如图3所示，根据杨-拉普拉斯方程，原膜是一种亲油和疏水膜，这意味着其接触角θ<90°，Δp<0。在这种情况下，Δp力的方向是向下的。相比之下，改性膜是一种亲水和疏油膜，其接触角θ>90°，Δp>0。Δp力的方向是向上的。因此，在Δp的作用下，油滴可以通过一个FΔp的力被拉/推移。CE现象表明，在液-固界面存在电子转移。在CE过程中，水分子接触膜表面可能导致电子云的重叠，因此膜表面可以从水中获得电子。此外，由于等离子体改性提供了大量的羧基基团，通过电离使膜更带负电性。在静电吸附力下形成双电层（EDL），水分子可以牢固地吸附在膜表面形成的水合层。因此，水可以优先接触膜，并以极高的速度穿过膜孔，导致极高的通量，而油则被水合层截留在膜表面。

文章来源：国际仿生工程学会

原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552300188X
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