高效油水分离器
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由于水资源短缺及石油泄漏等水污染问题的日益严重，开发高效的处理方式进行油水分离、污水净化等水处理成为当前社会发展的迫切需求。基于膜分离技术操作简便，运行成本较低，使其成为目前水处理的主要方式。人们基于聚合物、无机物及有机-无机复合材料等基质，通过模板法、相分离、自组装、静电纺丝等方法制备了各种类型的分离膜；其中，静电纺丝技术其材质适用范围广、参数调控简便，能够高效、精确构筑不同材质的分离膜。分离膜除需具有足够的机械强度之外，其性能指标主要通过分离通量和分离效率两个参数进行衡量。增加分离膜孔径能够提高分离通量，但会导致其分离效率显著降低。如何有效的平衡分离通量和分离效率实现分离膜的高效水处理仍是一项挑战性工作。
近日，美国宾夕法尼亚大学（UPenn）的Shu Yang教授研究团队以静电纺丝构筑的聚己内酯（PCL）多孔膜为基底，在其上采用静电纺丝技术构筑了一薄层含光响应性偶氮基团的环氧基聚合物纤维（例如聚分散橙3，PDO 3），得到PDO 3/PCL复合多孔分离膜。基于表层PDO 3多孔膜中聚合物纤维的光响应性，研究团队使用偏振光诱导含偶氮聚合物光流体化（photofluidization），使得该表层多孔膜孔径由微米级变为纳米级，并实现了该PDO 3/PCL复合多孔膜对“油包水（water-in-oil）”乳液（液滴尺寸约50 nm）的高通量高效率分离。
含偶氮聚合物结构及静电纺丝、偏振光源装置示意图。图片来源：J. Mater. Chem. A
研究表明，复合多孔膜表层PDO 3纤维能够在偏振光（532 nm，6 W）照射下产生光流体化效应，从而使其纤维直径增加，相应的多孔膜孔径减小。系统的实验显示通过光流体化调节，PDO 3多孔膜的孔径能够由起始的6.8 μm减少至< 1 μm；而底层的PCL多孔膜孔径则保持不变。同时，通过调节入射光光强能够调节孔径的变化速度，通过调节照射时间能够精确调控最终孔径大小。而且，光流体化效应使得PDO 3聚合物向PCL基层发生渗透，进一步增强了界面结合力和复合多孔膜的力学强度（力学强度达到5.7 MPa）。
PDO 3多孔膜孔径的光流体化调控。图片来源：J. Mater. Chem. A
表层PDO 3多孔膜孔径经光流体化效应调节后，达到亚微米或纳米尺度，使得复合膜表面呈现疏水亲油的润湿特性，因此可以用于油水分离。表面厚度较薄、孔径较小的PDO 3多孔膜保证了该复合膜的较高的油水分离效率（> 99.96 %），而底部较大孔径的PCL多孔膜则保证了复合膜较大的分离通量（14165±354 L m-2 h-1bar-1）。同时，该复合膜还可应用于不同种类油水混合液及油水混合乳液的高效分离。
复合多孔膜用于高效油水分离。图片来源：J. Mater. Chem. A
——总结——
Shu Yang教授团队基于光响应性聚合物的引入，构筑了表层孔径可调的复合多孔膜体系。该体系在保证了较高分离通量的同时实现了分离效率的调高。同时，通过表层亚微米孔径的构筑实现了油水混合乳液的高效分离，拓展了分离膜的应用范围。该研究成果将有望进一步应用于水处理、燃料净化、空气过滤等对膜孔径有着严格要求的诸多领域。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Hierarchical membranes with size-controlled nanopores from photofluidization of electrospun azobenzene polymer fibers
J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 18762-18769, DOI: 10.1039/C7TA05313D
（本文由宗传永-济大供稿）
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