文献导读：

具有超润湿性的分离膜是处理各种油/水污染物的理想选择。然而，普通纤维膜存在选择性单一、稳定性差、孔结构不合适等问题，在实际应用中难以对其进行改性以提高分离性能。鉴于此，新疆大学王鲁香研究员和北京化工大学孟洪教授提出了一种新型的液下超疏水纤维膜，该膜具有极高的分离性，可用于油水分离和乳液净化。相关研究成果以“A robust, scalable and adaptive wettability candle soot-modified fiber membrane for controllable oil–water mixtures/emulsion separation”为题目，发表于期刊《Separation and Purification Technology》上。

本文要点：

1、采用两步法制备了一种液下超疏水纤维膜(USFM)，即在静电纺纤维膜上喷射蜡烛烟灰形成粗糙结构，然后进行热处理以提高稳定性。制备的USFM-15在空气中表现出超两亲性，经水和油预湿后表现出液下超疏水性。

2、在合适的孔隙度和高选择性润湿性的协同作用下，所获得的膜具有高达22,000和56,000 L m^-2h^{- 1}的渗透通量，对不混相的轻/重油/水混合物的分离效率超过5 %。

3、USFM-15对水包油和油包水乳剂的渗透通量分别高达4,000和20,000 L m^-2h⁻¹。经过25次循环后，USFM-15对乳化液的分离效率仍大于2% %。此外，USFM-15还具有优异的可重复使用性，高化学稳定性和机械耐久性。

液体下超疏水纤维膜(USFM)是如何制备的?

在这项研究中，液下超疏水纤维膜（USFM）是通过两步法制备的。

1、首先，在电纺纤维膜表面喷涂蜡烛烟灰，形成粗糙结构；

2、然后，进行热处理步骤以提高USFM稳定性。最终得到的USFM-15在空气中表现出超亲水性，在被水和油预浸润后，在液下表现出超疏水性。

这种膜具有适当的孔隙结构和高选择性润湿性，表现出高达22,000和56,000 L m^-2h^-1的渗透通量，分离效率超过5%，适用于不相溶的轻/重油水混合物。

在油水分离方面，与普通纤维膜相比，USFM-15膜的主要优点是什么?

1、超高的分离效率：USFM-15膜展现出超过5%的分离效率，适用于不相溶的轻/重油水混合物。

2、超高的渗透通量：USFM-15膜的渗透通量可达每小时22,000至56,000升每平方米，远高于普通纤维膜。

3、优异的稳定性：USFM-15膜具有优秀的重复使用性、高化学稳定性和机械耐久性，适用于长期稳定的油水分离应用。

图1 用于油水混合物和乳液按需分离的USFM-15纤维膜方案。

图2 a-b) SEM图像，c)粒度分布，d-e)热处理前后CS的接触角图像。

图3 a、b、c、d、e、f)喷射量分别为0、5、10、15、20、25 mL时纤维膜的SEM图像。g) USFM-15纤维膜的SEM图像。h) USFM-15纤维膜与空气中油、水的接触角试验示意图。i) USFM-15纤维膜液下接触角和数码照片。j)不同喷雾量膜的接触角和滑动角(以DCM和PE为油相)。k)在水下超疏油性和油下超疏水性之间的10次可逆润湿性转换循环。l)纤维膜的Ra值。

图4 a)样品的ATR-FTIR光谱。b)纤维膜的XPS测量光谱，c)纤维膜的C1s高分辨光谱，d)纤维膜的O1s高分辨光谱。e-f)纤维膜孔径分布。

图5 a)涂覆纤维膜前后拉伸应力-应变曲线；b) USFM-15在不同环境下举起300 g重物的数码照片:空气中，II) pH = 7的水中，III) pH = 1 (HCl)， IV) pH = 14 (NaOH)， c)数字照片和SEM图像显示了USFM-15的循环弯曲性能，d)大型USFM-15数码照片(100 × 30厘米)。

图6 USFM-15油水分离光学照片:a)除油，b)除水。USFM-15在除油中的渗透通量和分离效率(c)和除水(d)。e-f)循环次数与USFM-15除油除水油水渗透通量和分离效率的关系。动态照片反映了膜在水下抗CYH的优异的抗液污染性能和相应的接触角(g)，油底水(h)。

图7 油水乳液分离装置示意图，a) CYH-in-water, c) water-in- tcm。分离前后显微镜图，b) CYH-in-water, d) water-in-TCM。各种水包油乳剂(e)和油包水乳剂(f)的渗透通量和分离效率。g-h) CYH-in-water -in- tcm乳剂的渗透通量和分离效率与循环次数的关系。USFM-15对不同类型乳化液分离的机理描述:i)水包油，j)油包水。

图8 a) USFM-15与文献报道的其他液下超疏水膜的比较；b)USFM-0和USFM-15。

图9 USFM-15膜润湿模型示意图。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125794