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油气溶胶是一种悬浮于空气中的挥发性液体，普遍存在于烹饪、金属切割等日常生活及工业生产场景中。这些溶胶含有包括多环芳烃在内的多种有害物质，长期暴露于此类环境会增加患呼吸系统疾病和肿瘤的风险。在工业环境中，油气溶胶的存在还可能导致设备故障频发和能源消耗增加。由于油气溶胶具有高粘性和流动性，其分离过滤过程较为复杂，现有过滤材料主要关注提高过滤效率和降低运行阻力，而对于材料的可重复使用性和清洁便利性的研究相对较少。目前，大多数滤材需要频繁更换，这不仅增加了维护成本，还可能因处置不当，对环境造成污染。因此，开发一种高效、低阻且可重复使用和易于清洁的油气溶胶过滤材料，对于减轻经济负担和环境压力具有重要意义。
近日，中国科学院城市环境研究所郑煜铭研究员团队在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“Environmentally durable and washable tanghulu-like amphiphobic fluorinated PVA/SiO2 electrospun nanofibrous membrane for efficient and reusable oil aerosol filtration”。本文的第一作者为陈江萍助理研究员，通讯作者为郑煜铭研究员和邵再东助理研究员。
研究团队通过静电纺丝和气相氟化沉积技术，成功制备了一种新型氟化PVA/SiO2纳米纤维膜（F-PVA/SiO2）。该膜具有类似中国传统糖葫芦的独特纤维结构，其中PVA纳米纤维周期性分布着SiO2纳米突起，显著增强了纤维表面粗糙度。富含羟基的PVA基质与氟化层有良好结合力，形成了稳定的双疏性涂层。这种涂层在室温下至少能保持一年的稳定性，并且具有抗有机溶剂溶胀的特性。得益于这种创新设计，F-PVA/SiO2膜表现出高过滤效率（>95.58%）、优异的过滤品质因子（0.0190 Pa-1）和12.8 g m-2的油负载能力。此外，该滤膜还具有出色的可清洁性，能够通过有机溶剂润洗实现再生，即使在10次连续的过滤与清洗循环中，其过滤性能依然保持稳定。F-PVA/SiO2膜的高效过滤性能与优异的耐久性，展现出其在油气溶胶过滤领域的广阔应用前景。
图1：(a) PVA, (b) PVA/SiO2, (c) F-PVA, and (d) F-PVA/SiO2滤材的SEM图像，及其对应的纤维直径分布，以及纤维膜粗糙度分析。
SEM图像显示，掺杂SiO2纳米颗粒后的静电纺丝纤维具有周期性的纳米凸起结构，其平均直径为0.52±0.06 μm（图1b）。经过气相沉积处理后，F-PVA/SiO2纤维的粗糙结构依然存在，表面粗糙度为3.2983 μm。SEM图像进一步显示，氟化处理后的F-PVA/SiO2滤材的孔隙结构保持了开放且连通的状态，丰富的纤维间空隙促进了空气在膜材料内部的渗透，有效降低了过滤阻力。
图2：F-PVA/SiO2膜的表面润湿性能。
F-PVA/SiO2膜表现出显著的疏油性和超疏水性特征（图2），对油和水的接触角分别为142.9º和151.0º。图2f直观展示了红色大豆油滴和蓝色水滴在F-PVA/SiO2滤材表面的润湿性。为了评估其双疏性能的稳定性，对制备的滤材进行了包括超声处理、酸碱浸泡、低温冷冻和湿热老化等多种严苛条件的处理。测试结果表明，经过这些处理后，滤材的疏油和疏水性质保持稳定，没有发生明显变化（图2e）。这些结果证实了F-PVA/SiO2膜在实际应用中具有出色的稳定性和潜力。
图3：F-PVA/SiO2膜的油气溶胶过滤性能。
F-PVA/SiO2膜表现出对油气溶胶良好的过滤性能（图3a）。与原始PVA膜相比，引入SiO2后，PVA/SiO2膜的过滤品质因子显著提升，从0.0157 P-1增加至0.0199 Pa-1。氟化处理后，品质因子略微下降至0.0190 Pa-1。总体而言，F-PVA/SiO2膜在过滤效率和压力降之间表现出良好的平衡。将F-PVA/SiO2膜与其他文献中报道的双疏膜材料进行油气溶胶过滤性能对比（图3b），在面风速为5.33 cm s-1条件下，F-PVA/SiO2膜表现出了优异的性能。
图4：F-PVA/SiO2膜对油气溶胶的负载性能、膜材料十次“过滤-清洗”过程性能变化图，以及被石蜡油细颗粒物污染后的氟化膜和未氟化膜清洗后SEM图像。
对F-PVA/SiO2膜进行多次的“过滤-清洗”循环测试（图4）。氟化后的滤膜对油气溶胶表现出良好的负载能力，容污量达12.83 g m-2。F-PVA/SiO2膜良好的双疏稳定性使其表面沉积的油膜可以被有机溶剂润洗脱去（图4c），且经过10次“清洁-污染”循环后，F-PVA/SiO2膜的过滤性能依旧保持稳定（图4b），而未氟化处理的PVA膜在有机溶剂清洗后发生了明显的纤维溶胀现象（图4d）。以上性能说明，F-PVA/SiO2膜在油气溶胶过滤应用中不仅具有良好的再生能力，还具备重复使用的稳定性。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586624046264
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