特殊浸润性纳米纤维膜材料在油水分离中的运用研究

中的运用研究

摘要：采油及工业生产过程产生了大量的含油废水，对生态系统和人类健康产生巨大的威胁，因此油水分离技术已成为重要的研究课题。常用的含油污水处理技术有吸附法、聚结法、气浮法等，但存在选择性低、能耗高、产生二次污染等问题。膜分离技术因低成本、高分离效率、易操作、无需二次添加等优点引起研究者的广泛关注。然而，在处理含油污水时，膜材料面临着膜污堵或变形的问题，导致膜通量、分离效率和寿命降低。因此，开发高效、稳定、绿色的油水分离膜刻不容缓。

关键词：油水分离；特殊浸润性；纳米纤维膜材料 引言

水是生命的源泉，然而由于频发的油类物质泄漏事故以及工农业生产和交通运输业含油废水的排放，水体油污染问题日益严重，对全球生态环境及人体健康造成了重大威胁。因此，对含油污水进行高效分离净化处理对于环境保护和人类社会的可持续发展具有重要意义。传统分离技术如吸附法、浮选法、生物降解法、化学絮凝法等，虽能在一定程度上处理含油污水，但存在分离精度低、处理周期长、易导致二次污染以及适用范围较窄等不足。膜分离法因具有较高的油水分离精度、无二次污染、操作简单且易于规模化应用等优势，成为新型高效油水分离技术研究的热点。由于膜分离技术的核心部件是专用高效的油水分离膜，为此研究人员在油水分离膜制备工艺、膜表/界面润湿性调控等方面做了大量工作，以期能进一步提高现有高分离膜的应用性能。

1常规油水分离纳米纤维膜 1.1超亲水疏油纳米纤维膜

超亲水疏油纳米纤维膜是一类具有超亲水表面的材料，可以过滤水而阻止油通过。通过添加亲水性小分子或沉积、涂覆亲水聚合物的方法可以提高纤维膜的亲水性。将氢氧化钠添加到聚砜／二甲基甲酰胺溶液中进行静电纺丝，并采用界面聚合的方法将聚酰胺沉积到纳米纤维膜的表面。在聚砜含量为２０％（质量分数）的纺丝液中添加１．７％（质量分数）氢氧化钠，可以使纳米纤维膜的水接触角从１３０°降低到１３°，并且在连续３次油水分离操作后仍有５．５ｍ３／ｍ２的通量，纤维膜具有良好的亲水性和重复使用性。在此基础上，通过沸水浸泡并储存在水中的处理方法得到了水接触角只有３°的超亲水纳米纤维膜，通过这种方法制备的纳米纤维膜的日均通量由８ｍ３／ｍ２提高到１２．２１ｍ３／ｍ２，排油率高达９９．９７６％。他们将普通聚砜纤维膜和含有氢氧化钠的聚酰胺活化纤维膜分别浸泡在豆油中，聚砜纤维膜３天即可溶解，而活化膜则可以保存５０天，并且质量和形貌没有太大变化，由此可见含有氢氧化钠的聚酰胺活化纳米纤维膜在豆油中具有高稳定性。此外，通过静电纺丝方法制备聚偏氟乙烯－六氟丙烯（ＰＶＤＦ－ＨＦＰ）纳米纤维膜，并将溶解在离子液体中的纤维素溶液倾倒在纤维膜上，经过静置、水洗和烘干之后得到超亲水和水下超疏油的纳米纤维膜。经过纤维素处理的纤维膜，其弹性模量从１７ＭＰａ提高到５４ＭＰａ，拉伸强度从５．５ＭＰａ提高到８．６ＭＰａ，膜的油水分离效率高达９９．９８％。

1.2耦合非均相芬顿复合功能膜

非均相芬顿是一项采用固体芬顿催化剂新型高级氧化技术，将芬顿反应转移至催化剂表面，有效避免了调酸和铁泥的问题。耦合非均相芬顿复合功能膜技术是将芬顿催化剂复合在膜表面，不仅能提高表面亲水性，还能赋予膜材料催化降解污染物的能力。基于含PSF二茂铁和羟基的非溶剂相反转法制备得到具有调节表面亲水性的催化膜，这些膜在催化芬顿反应中表现出较高的活性，使得该膜具有良好的抗污染能力。通过非溶剂诱导相分离技术将Fe(Ⅱ)钛菁(FePc)纳入PVDF膜中，提高了膜的孔隙度、平均孔径、表面亲水性，进而提高了膜的渗透性。此外，在非均相芬顿催化剂FePc的作用下，沉积在膜表面和孔道的污染物能被有效降解，并用荧光探针证明了·OH是降解污染物活性物质。

2特殊浸润性纳米纤维膜材料的油水分离

现实生活中的油／水混合物并不都是分层的，在家庭生活和工业生产过程中，乳化油更容易形成。尤其是由微纳米级分散液滴组成的连续相乳液，由于其存在坚固的油／水界面膜和吸附在膜界面的活性成分，即使在外部压力作用下也不容易聚结，分离起来非常困难。然而，将特殊浸润性纳米纤维膜进行改性，再与筛分效应、溶胶－凝胶制备方法或破乳技术相结合，可以达到高效分离乳化油的目的。利用特殊浸润性纳米纤维膜分离乳化油通常采用一种筛分效应，即让纳米纤维膜孔径远小于乳化液滴的孔径，使乳化液滴不能穿过膜，并利用膜的选择透过性分离乳化油。在乳化油的分离方面有着突破性的进展，他们利用惰性溶剂诱导相转化法制备聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）膜，该膜具有超疏水超亲油的特性，通过重力作用和“筛分效应”，首次有效地分离出“乳化油”中微米级和纳米级的稳定乳液，分离后油的纯度＞９９．９５％。同时膜通量极高，比具有类似渗透性能的商用过滤膜大得多。更重要的是，该膜具有良好的防污性能、热性能和稳定的力学性能，符合大规模处理乳液的要求。在紫外光辐照下，利用溶胶－凝胶法制备了具有超亲水性和水下超疏油性的ＳＷＣＮＴ／ＴｉＯ２纳米复合膜，该膜能有效地分离出有表面活性剂存在的大粒径水包油乳液，分离效率达到９９．９９％，在工业分离“乳化油”中拥有着非常大的潜力。结合明胶法和静电纺丝技术来制备具有分级多孔结构的ＮｉＦｅ２Ｏ４＠ＳｉＯ２，ＮｉＦｅ２Ｏ４＠ＳｉＯ２独特的分级多孔结构为水的输送提供了众多微孔通道，使其具有优异的超疏水性和水下超疏油性，在重力驱动下即可有效分离油／水乳液。随着技术的发展，通过破乳技术（在膜表面装备一个凝聚介质，使乳化液滴界面处的膜破裂的一种方法）将乳化液转化为分层油水混合物分离的方法已成为解决这一问题有效且有前途的策略。在特殊浸润性纳米纤维膜表面加入染料敏化的ＴｉＯ２，这种染料敏化的ＴｉＯ２在可见光的照射下，可以选择性地改变对接触液体的润湿性。在外加光照的条件下，含有稳定表面活性剂的乳化液接触该膜的表面时，光诱导特殊浸润性变化来驱动乳化液滴在界面上聚集进而破乳，随后纳米纤维膜对破乳后的油水混合选择性透过，达到“乳化油”分离的目的。

结语

近几年，特殊浸润性纳米纤维膜在处理油泄漏事故和工业油污水中显示出巨大的潜力，但现有的相关研究和应用依然处于初级探索阶段，理论研究、制备方法及实际应用等方面仍然面临一系列挑战，在取代传统的分离技术之前还需要解决一些问题。首先，特殊浸润性纳米纤维膜上精细的微观结构很容易受到机械损坏和化学污染，极大地限制了油水分离材料的实际应用。其次，在油水分离的实验模型中，研究人员通常使用纯油作为油水分离模型，与工业生产过程中产生的含油污染物不同，特殊浸润性纳米纤维膜的耐久性和耐酸碱性需要进一步提高。第三，大部分合成方法不能大规模进行，面对大面积石油泄漏，仍需要研发油水分离材料的大规模生产技术。最后，油水乳液分离膜的制备过程中，分离速度和膜孔径在某种程度上是矛盾的，故如何实现对微米级到纳米级范围的各种小液滴尺寸的油水乳化剂进行高效并且高通量分离，是一个重要且有意义的课题。特殊浸润性纳米纤维膜无疑为实现高效率分离油水混合物提供了新的机遇，在纳米尺度上，合理地设计分离层的结构以及膜的表面化学性质变得越来越突出，相信经过科学家们的共同努力，特殊浸润性纳米纤维膜材料将会在油水分离领域有着更多的突破。

参考文献

[1]张慎祥．高性能分离膜的设计及性能研究［D］．合肥:中国科学技术大学，2018．

[2]高守建．抗污染亲水分离膜的设计及性能研究［D］．合肥:中国科学技术大学，2020．