徐志康教授课题组Science：揭示乳液中水油同步分离的神奇“膜”法

编辑：时间：2024-11-20 访问次数: 16

2024年11月8日，浙江大学教授徐志康，百人计划研究员杨皓程、张超所在的聚合物分离膜及其表界面工程团队突破传统膜分离范式，提出了一种基于亲水膜/疏水膜组成的限域空间狭缝(Janus Channel of Membranes, JCM)的新概念与原型器件，从而发展了一类简单且高效的油水乳液同步分离技术，成功实现了97%的油回收和75%的水回收。相关研究成果以“Janus Channel of Membranes Enables Concurrent Oil and Water Recovery from Emulsions”为题，发表于《科学》（Science）。

亲水/疏水膜狭缝的设计理念

JCM是由亲水膜和疏水膜所共同组成的受限空间，乳液在这样的限域空间内流动时会显著影响到液滴之间的碰撞，因此，狭缝的宽度对乳液分离效率至关重要。当狭缝宽度较大(>100mm)时，亲水膜和疏水膜之间互不干涉，分离水包油乳液时，亲水膜侧可以获得水，疏水膜侧可以获得极少量的油，其分离效率很低。当狭缝宽度从100mm以上逐步缩小至4mm时，油回收率从5%显著提升至97%，水回收率也可从 19%提高至75%。

图1.亲水/疏水膜狭缝宽度对油水乳液分离的影响

亲水/疏水膜狭缝的乳液分离机制

随着亲水/膜疏水膜间距的不断缩小，二者形成的狭窄通道在乳滴破乳分离中发挥了关键作用。JCM的分离机制包括局部快速浓缩和受限空间内的碰撞增强。以分离水包油乳液为例，在狭小空间内，随着水在亲水膜一侧的导出，料液中乳滴的局部浓度迅速增加；与此同时，狭窄通道内乳滴的碰撞概率也显著提升。

二者协同作用下，乳液的“浓缩-聚并-破乳”过程得到了显著强化。

图2.JCM的分离机制。A为狭缝宽度对油/水回收率的影响，B为狭缝宽度对浓缩的影响，C为狭缝宽度对碰撞概率的影响

另一方面，亲水膜/疏水膜间的相互影响也对分离过程起到了作用。他们分别构建了仅具有单侧亲水膜或疏水膜的狭缝，发现尽管狭缝的存在能够增强单一亲水膜或疏水膜的分离效率，但其油水回收率仍显著低于亲水膜/疏水膜狭缝。特别是在乳化剂含量较高时，三种狭缝的回收率均有所下降，但相较于单一膜构建的狭缝，亲水/疏水双膜狭缝的降幅较小，展现出其在处理更稳定乳液时的显著优势。

图3.不同类型狭缝分离性能对比。其中UBC为单侧疏水膜狭缝，UIC为单侧亲水膜狭缝

值得一提的是，由于JCM中亲水膜/疏水膜之间的间距很小，二者对水和油的渗透分离过程相互影响，形成了一种新的“反馈机制”：亲水膜移除水相导致乳液浓度增加，从而促进乳滴的碰撞、聚并和破乳，提升了油的渗透通量；与此同时，油相的持续移除有助于降低膜表面的乳液浓度，进而减轻了因浓差极化现象对亲水膜渗透通量的抑制作用。

图4.JCM分离水包油乳液过程中的反馈机制

亲水/疏水双膜狭缝分离油水乳液的普适性

JCM能够有效分离不同油相和乳化剂的水包油乳液体系。在相同的分离时间内，随着油相粘度的增加，油和水的回收率均有所下降。同时，当亲水膜的表面电荷与乳化剂的荷电性一致时，膜的抗污染性能得到显著提升，从而表现出更高的分离效率。此外，JCM对水包油和油包水乳液均展现出优异的分离效果。

图5.JCM分离乳液的普适性。A为油相粘度的影响，B为乳化剂的影响，C为乳液类型的影响

科学研究

徐志康教授课题组Science：揭示乳液中水油同步分离的神奇“膜”法