含油污水的大量排放和海上原油泄漏事故的频繁发生严重威胁着生态环境和人类健康。如何快速高效的处理溢油和纯化含油污水已成为关系人民生活、经济发展与环境安全的重要课题。膜分离技术以其节能、高效、无二次污染、适用范围广等优点引起了人们的广泛关注。特别是关于超浸润油水分离材料的设计、制备及高效分离性能的研究为解决油污染问题提供了强有力的科学支撑。通过调控油水分离材料对油和水截然相反的浸润性,实现了传统油水分离材料和技术难以突破的高选择性和高效性。具有超疏水/超亲油特性的除油型材料和超亲水/超疏油特性的除水型材料可有效实现油水混合物甚至复杂乳液的高效、快速、稳定的分离。同时,设计和制备具有性能稳健优异的超浸润油水分离材料被期望应用于海洋开发、航空航天、核能、石油开采、机械设备和高端制造等行业中。然而,面对愈加复杂的含油污水(轻/重油和水的混合物、水包油乳液和油包水乳液的混合体系),单一浸润性能的除油型,除水型分离材料无法实现按需、高效和可持续的分离。因此,开发先进的超浸润油水分离材料是解决世界水环境恶化和石油短缺问题的迫切需要。
图1 具有可转换润湿性界面的智能材料能够可持续地处理溢油和净化含油废水。
刺激响应的智能油水分离材料
首先,pH响应的智能材料因制备简单和响应速度快被广泛研究。研究者通常利用吡啶、羧基、丙烯酸、丙烯酰胺和叔胺基等典型的 pH 响应功能物质设计和制备pH响应的智能材料。但是,目前的 pH 响应智能材料仅在特定的 pH 条件下才会改变浸润性,这使得分离日益复杂的油/水混合物变得困难。同时,pH 诱导的智能材料面临的最大挑战是材料的化学稳定性,因为在改变表面润湿性时不可避免地与酸或碱溶液接触,这会显著影响表面粗糙度和化学成分,导致油/水分离性能快速下降。
热响应的智能材料常使用一些有机聚合物,如聚(n-异丙基丙烯酰胺)、聚(乙烯醇-共聚-乙烯醇缩醛)和聚(n-乙烯基己内酰胺)等。相比在特定条件下响应的pH智能材料,热响应智能材料因较大的响应范围是处理溢油和含油污水更加有效的方式。但是,如何保持稳定的浸润性能是热响应智能材料面临的挑战。此外,热响应智能材料通常伴随着大量的能量消耗。因此,如何利用太阳能进行光热转换将是热响应智能材料研究领域的重要突破。
光响应智能材料是实现油水混合物按需和高效分离的先进材料。同时,催化降解也被认为是应用于处理含油污水的最有效策略之一。因此,将特定的光响应材料与光催化剂偶联,可以有效处理废水中的油性污染物,同时分解油类或有机溶剂污染物。然而,光响应智能材料会受到可切换浸润性和光化学降解的过渡范围以及官能团的热弛豫的限制。此外,光响应智能材料的浸润性转变通常需要耗费大量的时间。
快速响应性是电场刺激响应智能材料的显著优势。然而,电响应智能材料目前面临的问题是浸润性能转换的控制和安全问题。同时,具有电响应性能的智能材料通常伴随着巨大的能源消耗。这也是目前关于电响应智能油水分离材料的报道相对较少原因。
气体响应的智能材料为开发先进的油水分离材料和大范围应用装置创造了机遇。目前,CO2气体因其廉价、丰富和无毒的特性已发展成为最常用的响应性气体。此外,其他的响应性气体有NH3, O2, 和 H2等。但是,除了CO2,NH3刺激响应智能材料浸润性转变遵循pH响应机制外,对于其他气体调节的智能材料表面浸润性能的机理性研究还需要进一步探索。
预浸润诱导的智能油水分离材料
图2 (a) 预浸润诱导的马铃薯废渣网膜用于油水混合物分离; (b) 预水浸润下的轻油/水混合物; (c) 预油浸润下的重油/水混合物(参考文献:Green Chem., 2016, 18, 541?549)。(d) 预浸润诱导的鸡腿菇PVDF膜用于油水乳液分离;(e) 水在空气中的浸润性及油在水中的浸润性光学照片;(f) 油在空气中的浸润性及水在油中的浸润性光学照片;(g) 和 (h) 分别为水下油的接触角和油下水的接触角(参考文献:J. Membr. Sci., 2018, 565, 85?94)。
图3 (a) 和 (b) 分别为水完全浸润和油完全浸润的微结构支撑的油水界面(参考文献:Adv. Mater., 2016, 28, 10652?10658.)。(c) 超疏水微/纳米粒子的合成程序示意图;(d) 超亲水和超疏水微/纳米粒子混合喷涂调控涂层表面的润湿性(参考文献:ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 14759?14767.)。
超浸润智能油水分离材料为实现按需、高效和可持续的处理溢油和含油污水提供了科学支撑,具有重大应用价值。然而,在超浸润智能油水分离材料应用于实际之前,必须解决其中的一些问题。
论文信息:Journal of Materials Chemistry A, Bin Xiang, Qing Sun, Qi Zhong, Peng Mu, Jian Li*, J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 20190–20217.
论文链接:http://doi.org/10.1039/D2TA04469B