基於「光流體化」製備高效油水分離膜

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由於水資源短缺及石油泄漏等水污染問題的日益嚴重，開發高效的處理方式進行油水分離、污水凈化等水處理成為當前社會發展的迫切需求。基於膜分離技術操作簡便，運行成本較低，使其成為目前水處理的主要方式。人們基於聚合物、無機物及有機-無機複合材料等基質，通過模板法、相分離、自組裝、靜電紡絲等方法製備了各種類型的分離膜；其中，靜電紡絲技術其材質適用範圍廣、參數調控簡便，能夠高效、精確構築不同材質的分離膜。分離膜除需具有足夠的機械強度之外，其性能指標主要通過分離通量和分離效率兩個參數進行衡量。增加分離膜孔徑能夠提高分離通量，但會導致其分離效率顯著降低。如何有效的平衡分離通量和分離效率實現分離膜的高效水處理仍是一項挑戰性工作。

近日，美國賓夕法尼亞大學（UPenn）的Shu Yang教授研究團隊以靜電紡絲構築的聚己內酯（PCL）多孔膜為基底，在其上採用靜電紡絲技術構築了一薄層含光響應性偶氮基團的環氧基聚合物纖維（例如聚分散橙3，PDO 3），得到PDO 3/PCL複合多孔分離膜。基於表層PDO 3多孔膜中聚合物纖維的光響應性，研究團隊使用偏振光誘導含偶氮聚合物光流體化（photofluidization），使得該表層多孔膜孔徑由微米級變為納米級，並實現了該PDO 3/PCL複合多孔膜對「油包水（water-in-oil）」乳液（液滴尺寸約50 nm）的高通量高效率分離。

含偶氮聚合物結構及靜電紡絲、偏振光源裝置示意圖。圖片來源：J. Mater. Chem. A

研究表明，複合多孔膜表層PDO 3纖維能夠在偏振光（532 nm，6 W）照射下產生光流體化效應，從而使其纖維直徑增加，相應的多孔膜孔徑減小。系統的實驗顯示通過光流體化調節，PDO 3多孔膜的孔徑能夠由起始的6.8 μm減少至< 1 μm；而底層的PCL多孔膜孔徑則保持不變。同時，通過調節入射光光強能夠調節孔徑的變化速度，通過調節照射時間能夠精確調控最終孔徑大小。而且，光流體化效應使得PDO 3聚合物向PCL基層發生滲透，進一步增強了界面結合力和複合多孔膜的力學強度（力學強度達到5.7 MPa）。

PDO 3多孔膜孔徑的光流體化調控。圖片來源：J. Mater. Chem. A

表層PDO 3多孔膜孔徑經光流體化效應調節後，達到亞微米或納米尺度，使得複合膜表面呈現疏水親油的潤濕特性，因此可以用於油水分離。表面厚度較薄、孔徑較小的PDO 3多孔膜保證了該複合膜的較高的油水分離效率（> 99.96 %），而底部較大孔徑的PCL多孔膜則保證了複合膜較大的分離通量（14165±354 L m-2h-1bar-1）。同時，該複合膜還可應用於不同種類油水混合液及油水混合乳液的高效分離。

複合多孔膜用於高效油水分離。圖片來源：J. Mater. Chem. A

——總結——

Shu Yang教授團隊基於光響應性聚合物的引入，構築了表層孔徑可調的複合多孔膜體系。該體系在保證了較高分離通量的同時實現了分離效率的調高。同時，通過表層亞微米孔徑的構築實現了油水混合乳液的高效分離，拓展了分離膜的應用範圍。該研究成果將有望進一步應用於水處理、燃料凈化、空氣過濾等對膜孔徑有著嚴格要求的諸多領域。

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

（本文由宗傳永-濟大供稿）

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