浙江大学，最新Science！
学术
2024-11-08 09:03
福建
![]()
现有的分离技术难以从含有表面活性剂的稳定乳液中同时回收油相和水相，达到接近零液体排放的目标。有鉴于此，浙江大学徐志康教授、张超研究员、杨皓程研究员等提出一种Janus膜（Janus channel of membranes）概念(JCM)，通过特征性的一对亲水膜和疏水膜构成的封闭结构，实现了高效地从表面活性剂稳定的乳液中同时回收油相和水相。受限设计的Janus通道能够通过浓度富集和破乳化的反馈回路放大膜对的相互作用。这种JCM膜在回收测试过程对油和水的回收分别达到97%和75%，而且回收得到的油和水的纯度高达99.9%。此外，JCM膜能够分离处理许多乳液，并且实现接近0的液体排放。JCM双面膜的设计
JCM膜的关键结构是由亲水膜和疏水膜之间形成的狭窄通道，当乳液通过蠕动泵输送到通道中，清水从亲水膜侧流出，而油相收集在疏水膜侧，这种JCM膜能够安装在许多商业微滤膜装置内。图2. JCM膜的宽度对分离的影响，JCM膜分离机理这个JCM双面膜的设计中，通道的宽度起到非常关键的作用，通道宽度能够显著的影响分离过程和分离效率。当通道的宽度从125nm缩小至4nm，油相回收率从5%增加至97%，水相回收油19%增加至75%，而且回收的油和水的纯度都超过99.9%。JCM分离油水的机理是对乳液的快速局部富集化，以及狭窄通道的限域效应使得碰撞增强。 其中，Co是起始浓度，J是水流量，t是保留时间，d是通道宽度，d能够显著影响富集的效率，因此对破乳效率和回收速率产生影响。JCM中的亲水膜-疏水膜作用
Janus膜的作用。通过对比Janus膜与疏水膜（UBC, unilateral hydrophilic channel）或者亲水膜（UIC, unilateral hydrophilic channel），说明JCM双面膜中的亲水膜和疏水膜的作用。在狭窄的通道中，UBC和UIC能够用于输送单一种类的液体，因此能够分别用于回收油相或者水相。JCM膜分离能够实现富集-聚结-破乳（enrichment-coalescence-demulsification）过程。JCM膜分离过程包括三个阶段：（i）乳液进入通道，水能够快速渗透通过亲水性膜，发生局部乳液富集，（ii）浓缩的乳液液滴之间发生碰撞和聚结，加快破乳过程，（iii）疏水膜去除破乳化的油相，而且亲水膜能够持续的进行水渗透。与JCM膜不同，UBC和UIC膜只具有破乳或聚结的功能。因此，由于这种优势，JCM不仅具有更高的水和油回收率，而且在处理更坚固的乳液时，回收率的损失也更低。图4. JSM膜的反馈回路（Feedback loop）传统的膜分离过程通常能够导致油相浓度单调增加，这是因为只能去除其中的一个相。这种传统膜分离过程产生浓度的极化，并且降低分离效率。但是，在JCM膜中，水渗透能够促进液滴的富集和聚结，能够连续的进行油去除。而且能够消除油相减少产生的浓度极化，以及浓度极化对水渗透的负面影响。通过这种过程，构成了促进水和油持续分离的反馈回路。通过表征JCM系统中的油浓度的改变能够验证， UIC和UBC膜分别对油相产生单调增加或单调降低的现象，JCM膜在油含量包括浓度降低和浓度增加的过程。油滴的大小发生类似的变化规律，最初的增加归因于水渗透引起的乳液富集。随后富集的乳液聚结成更大的乳液，很容易被疏水膜捕获，导致油含量的降低。通过油的含量随着时间变化的曲线，发现JCM包括正和负区域，说明系统具有调节油浓度的能力。通过这种自我调节，能够促进连续分离过程中的稳定运行。当体系是封闭的循环，油的含量最后发生降低。 由于这种反馈回路，JCM膜能够快速分离油和水。通过荧光染料标记乳液在分离过程中的变化情况，测试结果显示JCM膜的荧光强度在20min内基本上消失，UBC和UIC膜的荧光强度随着时间基本上没有改变，说明UBC和UIC膜的油分离性能较差。JCM膜的液滴变化情况显示，液滴尺寸先从22.4±3.0μm增加为32.9±2.6μm，随后减小为23.1±1.8μm，液滴的大小变化趋势出与油的含量变化相似。最初的增加归因于富集和聚结效应。大乳液液滴很容易被疏水膜破乳和去除，在系统中留下小液滴。值得注意的是，由于在油流出之前发生聚结和粘附，因此液滴尺寸和油含量的变化比油的流量变化更快。在这项研究中，当亲水性膜带负电荷，可以防止由阴离子表面活性剂（比如SDS）稳定的乳液液滴粘附，从而获得相对较高的水回收率；阳离子表面活性剂（比如CTAB）会导致乳液液滴和表面活性剂在膜表面严重粘附，从而降低水和油的回收率，带正电的膜对CTAB稳定的乳液实现了更高的回收率。因此，在JCM膜的亲水膜部分最好使用与表面活性剂携带相同电荷的膜材料。 JCM不仅能够分离水包油乳液，也可以分离油包水乳液，油的回收达到~71%，水的回收率达到~94%，回收得到的油和水纯度都>99.9%。此外，相比于传统亲水膜只能处理含油量<10%的油包水乳液，JCM膜能够处理含油量为40%的油包水乳液，并且水的回收仍达到>80%，回收的油和水纯度都>99.9%。另外，由于JCM处理乳液的能力较强，能够分离具有较小液滴尺寸和增强稳定性的乳液。此外，将JCM构筑多级装置能够提高分离效率，因此具有工业应用的前景。JCM能够同时从含有表面活性剂的稳定乳液中回收油和水，为解决油水乳液回收提供了非常好的解决方案，并且取得比现有技术更好的效果。Xin-Yu Guo et al. ,Janus channel of membranes enables concurrent oil and water recovery from emulsions. Science 386,654-659(2024).DOI:10.1126/science.adq6329https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq6329纳米人学术QQ交流群
（加群方式：请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由管理员审核后入群。）一维材料群-1：463352826
二维材料群-2：1075914107
复合材料群-2：834770793
可穿戴器件学术群：1032109706
光催化群-2：927909706
电池讨论群-1：418038617
