转自：环境催化
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本文介绍了一种新型的膜通道技术——Janus通道膜（Janus Channel of Membranes, JCM），它能够同时高效地从含表面活性剂稳定的乳状液中回收油和水。这项技术通过构建一对亲水和疏水膜的受限结构，实现了油水的同时分离和回收，对于实现近零液体排放具有重要意义。
研究背景
油水混合物，尤其是含表面活性剂稳定的乳状液，对生态系统和水源构成了严重威胁。传统的油水分离技术，如机械撇油、空气浮选、离心分离、化学絮凝和电凝等，虽然取得了一定的进展，但在处理含表面活性剂稳定的乳状液时仍面临挑战。膜分离技术因其高分离效率、低能耗和化学使用量少而成为处理油水混合物的重要工具。然而，现有的膜分离技术通常只能从乳状液中获得单一的水相或油相，远未达到近零液体排放的目标。
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Janus通道膜（JCM）的设计
JCM的核心是一个由亲水膜和疏水膜形成的狭窄通道。当乳状液被送入通道时，清水会立即从亲水膜侧流出，而油（被油红O染色）随后在疏水膜侧被收集。通道宽度对分离过程和效率至关重要，因为通道宽度的变化显著影响油水的回收率。随着通道宽度从125毫米缩小到4毫米，油的回收率从5%增加到97%，水的回收率从19%增加到75%，且回收的油水纯度均超过99.9%。
分离机制
JCM的分离机制涉及局部乳状液的快速富集和增强的碰撞。通道宽度的缩小导致乳状液在通道内的局部体积减少，与水渗透相关的局部浓度迅速增加。油滴的密度增加进一步增强了它们之间的碰撞。理论分析表明，通道宽度显著影响富集效率，进而影响破乳效率和油的回收率。模拟结果进一步揭示了通道宽度对乳状液滴碰撞的影响，表明通道宽度的减小可以促进碰撞概率的增加。
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膜对的作用
JCM中的每个膜都扮演着特定的角色。与单膜通道相比，JCM包括三个阶段的分离过程：水通过亲水膜的快速渗透导致局部乳状液富集；随后浓缩的乳状液滴碰撞和聚并促进破乳；以及疏水膜去除破乳的油，同时水持续通过亲水膜渗透。这种机制被称为富集-聚并-破乳。相比之下，单膜通道仅限于破乳或乳状液聚并过程。
反馈循环
JCM中的一个关键特点是其内部的反馈循环。传统的膜分离通常会导致油含量的单调增加，因为它只从系统中移除一个相，导致分离效率因浓度极化而显著下降。在JCM中，水渗透促进了油滴的富集和聚并，使油的连续移除成为可能，而油的移除减轻了浓度极化对水渗透的不利影响，建立了一个促进水和油连续运输的反馈循环。
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适用性评估
JCM展示了分离由不同类型油脂组成的乳状液的能力，尽管油和水的回收率随油脂粘度的变化而变化。高粘度的油脂加剧了亲水膜的孔堵塞，影响了水的渗透。此外，表面活性剂的类型显著影响JCM的分离效率。表面电荷在乳状液和膜之间的吸引或排斥中起着关键作用。JCM还能够分离水包油乳状液，实现了约71%的油回收率和约94%的水回收率，油和水的纯度均超过99.9%。
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多阶段设备的潜力
JCM通过简单地调整通道宽度到毫米级，显著增强了膜对之间的相互作用以及乳状液的富集和聚并。这种配置不仅从多种乳状液中回收了水和油，而且与单膜过程相比，实现了相对较高的回收率。JCM有望用于零液体排放应用，为解决关键的环境和工业挑战提供了一种变革性的解决方案。
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结论
JCM技术为处理含表面活性剂稳定的乳状液提供了一种新的解决方案，能够同时回收油和水，这对于环境保护和工业应用具有重要意义。通过调整通道宽度，JCM能够显著提高油水分离效率，且具有处理高浓度油水混合物的潜力。此外，JCM的设计还可扩展到多阶段模块，以提高分离效率，为实际工业应用提供了巨大的潜力。
这项研究不仅在理论上提出了一种新的油水分离机制，而且在实验上验证了其高效性和普适性，为未来油水分离技术的发展提供了新的方向。通过进一步的优化和规模化，JCM技术有望在工业废水处理和资源回收等领域得到广泛应用。
Science 386, 654–659 (2024)
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