超亲水梯度孔分离膜微结构及其乳化油水分离性能

日常生活及生产过程中产生的含油废水对生态环境造成极大的危害，使得油水分离成为亟待解决的社会和科学问题。近来膜分离技术由于其突出的分离效率高、运作成本低、设备可集成化、可处理油水乳液等优势，使其在未来的油水分离领域展现出极大潜力。

如何通过膜法实现油水的高效分离一直都是材料及化工方向研究者的研究热点之一。油水分离的本质是界面问题，除利用特殊浸润性对油和水呈现完全相反的润湿行为构建具有特殊浸润性表面的聚合物膜外，所用聚合物膜材料本质的润湿性及所具微结构对于油水分离过程中油水表观浸润性的影响也不可忽视。因此，探索聚合物膜孔微结构、油滴尺寸与油水分离效率的内在关联，对于实际含油废水的膜法处理应用具有十分重要的科学意义和实用价值。基于此，黄小军副教授研究团队设计并制备了孔径不同的系列膜孔呈梯度微纳珠状网络结构，孔径沿径向截面从外层到内层梯度增大，分离层膜孔远小于支撑层孔径，且支撑层微孔结构具有较高孔隙率的不对称、超亲水中空纤维梯度微滤膜，并将其应用于油水分离中相对最难处理的乳化油水分离中。

本研究中，通过湿法相转化可控制备了系列不同孔径大小的超亲水、梯度微结构中空纤维聚砜膜，并将其直接应用于油水乳液体系，深入探究其微结构与分离性能的内在规律，以期为膜法油水分离应用研究提供理论依据。实验结果表明，该不对称、超亲水中空纤维梯度微滤膜由于其特殊的梯度不对称微孔结构能够有效降低膜孔道被污染堵塞的几率，具有较佳的油水分离性能。膜孔尺寸及其寸分布、微结构等均会影响实际油水分离效果，但本质上通过临界击穿压力直接作用。最重要的是，当油滴大小与膜孔尺寸相匹配的条件下，即所用乳化油水粒径与所用膜孔大小的比值（0.71）与通过相应临界突破压力值理论计算所得表面接触角的余弦值（0.72），膜材料水下油接触角的余弦值（0.65）相近时，膜对油水分离效率最佳(图1所示)。聚合物膜孔微结构与油滴尺寸之间的匹配内在关系，可为膜法高效油水分离的实际应用提供理论依据。

相关工作“The microstructure-performance relationships of hollow fiber membranes with highly efficient separation of oil-in-water emulsions”发表在J Appl. Poly. Sci.（2019, DOI: 10.1002/app.47615，作者：洪晓，高巧灵，吴慧敏, 郭义宗, 黄赋，方飞，黄华婷, 陈大竞, 黄小军*）

图1油水分离过程中梯度孔聚合物膜微结构与油滴尺寸之间的匹配关系