在中國科學院、國家自然科學基金委的大力支持下，中科院化學所有機固體院重點實驗室的研究人員與清華大學、北京大學合作，在連續(xù)高效油水分離方面又取得新突破。該結果最近以全文的形式發(fā)表在《自然通訊》 (Nat. Commun. 4:2276 doi: 10.1038/ncomms3276 (2013)) 上，結果一經(jīng)發(fā)表，就被Science、BBC、新華社、光明日報等媒體報道。
環(huán)境保護和石油工業(yè)領域需要先進的油水分離技術，例如貧油油田的石油開采、石油開采中的三次采油、石油泄漏事故的處理、含油工業(yè)廢水的凈化，近年來頻發(fā)的事故和工業(yè)的發(fā)展使得這一需求更加迫切。在實際應用中，油水混合物中的油相經(jīng)常會以微小油滴(10微米以下)的形式存在，而傳統(tǒng)的油水分離技術難以對其進行連續(xù)、高效的分離：例如工業(yè)上應用的吸附劑法等，吸附之后的脫附較難實現(xiàn)，難以循環(huán)使用，也難以對吸附的油進行再次利用，而額外物質的添加也有可能引入新的污染。
研究人員通過對自然中生物特性的研究，發(fā)現(xiàn)仙人掌刺在霧氣流中可以連續(xù)的集水，刺表面收集的水滴可以被其表面的結構自驅動向刺的根部。受此啟發(fā)，霧氣中的水滴和油水混合物中的油滴是相似的，如果模擬仙人掌刺的結構，將有可能在油水分離上實現(xiàn)“邊收集邊驅動”這一智能循環(huán)模式。于是，研究人員用具有水下親油性質的材料制備了錐形的針尖，并模擬仙人掌刺來構筑其表面的微米-納米復合粗糙結構。將其放入含有微小油滴的油水混合物液流中并觀察。由于材料本身的疏水親油性質，油水混合物在流經(jīng)錐形針尖時，混合物中的微小油滴會被吸附到針尖上，慢慢形成較大的油滴；錐形針尖表面的油滴由于曲率不同，會受到拉普拉斯壓差的作用，即受到一個指向錐形根部的驅動力，當針尖收集的油滴越長越大，這個驅動力會自發(fā)地將油滴驅動至錐形根部儲存。這個油滴被驅動走后，露出的針尖表面又會開始下一個集油的循環(huán)，實現(xiàn)連續(xù)的油水分離(見圖1)。這種“邊收集邊驅動”的分離技術是一種智能的新型油水分離模式，將有這種功能的針尖做成大面積的陣列(見圖2)，就實現(xiàn)了連續(xù)高效的油水分離，分離的效率可達99%以上，而且這種技術的高通量、環(huán)境友好、耐腐蝕等特性，也是傳統(tǒng)分離方法所難以實現(xiàn)的。這一研究為新型油水分離方法的設計提供了新的思路，對世界范圍內環(huán)境、石油工業(yè)的發(fā)展有重要意義。
圖1 微小油滴在針尖表面收集的示意圖
圖2 針尖陣列進行油水分離的裝置圖及分離效果