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  保護(hù)生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)是科學(xué)發(fā)展的必然，在石油化工勘探、煉油和運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生的油品泄漏以及工業(yè)和生活含油廢水的排放處理是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在不斷探索的科學(xué)技術(shù)難題，尤其細(xì)菌、染料和金屬離子等復(fù)雜成分及水包油或油包水復(fù)雜形態(tài)讓目前的凈水處理膜材料和工藝難以解決。

  為攻克這一難題，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種響應(yīng)型的Janus PVDF復(fù)合膜，該膜具有選擇潤(rùn)濕性，賦予特定的按需分離能力，能夠?qū)崿F(xiàn)油包水和水包油乳液體系的分離；又具有靜電吸附和光降解功能，實(shí)現(xiàn)有機(jī)染料的分離和降解；膜的抗菌性和低黏附性有效將細(xì)菌殺滅和解決了工業(yè)界膜的微生物和油污染問(wèn)題。

圖1

  該成果發(fā)表在化工領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊《Chemical Engineering Science》:Smart Janus membrane for on-demand separation of oil, bacteria, dye, and metal ions from complex wastewater，Chemical Engineering Science, 2022, 253, 117586。

圖 2. (a) Janus S/PS/ZnO/CNTs/PVDF復(fù)合膜的制備工藝示意圖及(b)其在表面活性劑穩(wěn)定的W/O膜分離中的應(yīng)用和O/W乳液和O/W/染料/細(xì)菌/金屬離子復(fù)雜廢水中的處理應(yīng)用。

1.Janus 膜油包水分離研究

圖 3. (a) W/O乳液粒徑分布的DLS結(jié)果，以及進(jìn)料（分離前）和濾液（分離后）的顯微照片和實(shí)物圖；(b) Janus膜分離通量和分離效率；(c)膜分離W/O乳液的內(nèi)在機(jī)制示意圖。

  通過(guò)測(cè)量膜通量和分離效率來(lái)評(píng)定Janus膜的W/O乳液分離能力；水/十六烷乳液進(jìn)料為亞微米級(jí)（0.5-1 mm）多分散乳液（圖 3a），濾液透明，所有W/O乳液的分離效率超99%，甲苯、正己烷、石油醚和十六烷的分離通量分別為1194.2、1656.1、4917和382.2 L m^-2h^-1 bar^-1（圖 3b），并揭示了膜分離W/O乳液的內(nèi)在機(jī)制與侵入壓力(Dp)相關(guān)。

2.Janus 膜水包油分離研究

  Janus膜展現(xiàn)出了較低的水下油黏附力（圖 4a-b）；Janus膜的W/O乳液分離能力通過(guò)膜的分離通量和分離效率來(lái)評(píng)價(jià)，水/十六烷乳液進(jìn)料為亞微米級(jí)的多分散乳液（圖 4c），圖4d顯示了所有W/O 乳液均成功分離，分離效率超過(guò)99%，Janus 膜對(duì)甲苯、正己烷、石油醚和十六烷包水乳液相應(yīng)的分離通量分別為 1194.2、1656.1、4917和382.2 L m^-2h^-1 bar^-1，揭示了膜分離O/W乳液的內(nèi)在分離機(jī)制也與侵入壓力(Dp)相關(guān)（圖 4e）。

3. 復(fù)雜體系油水分離研究

  總而言之，該策略提供了良好的膜材料設(shè)計(jì)思路，以實(shí)現(xiàn)乳液的高通量和高效按需分離，油包水和水包油乳液的按需分離機(jī)制與潤(rùn)濕性、黏附力和侵入壓力有關(guān)。復(fù)雜廢水的分離通量和效率分別達(dá)到4917 L m^-2h ^-1 bar ^-1和99%，且具有良好的有機(jī)染料(>98.6%)、金屬離子(>99.7%)和細(xì)菌(>99.7%)去除率（圖5）。該工作將為按需實(shí)現(xiàn)高通量和高效率的膜材料設(shè)計(jì)提供參考，該技術(shù)有望在未來(lái)大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)和實(shí)際生活中復(fù)雜廢水的分離凈化。

  文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250922001701

  此外，課題組在抗菌和抗細(xì)菌黏附技術(shù)的構(gòu)建方面也取得了其它系列成果：

  （1）揭示了可切換超疏/超親水智能表面抗菌抗細(xì)菌黏附性的差異和關(guān)聯(lián)(Chemical Engineering Journal(IF=13.2), 2022, 431, 134103);

  （2）設(shè)計(jì)出了一種能夠一步分離含細(xì)菌/染料/油的復(fù)雜污水且能夠抗細(xì)菌/染料/油黏附污染的復(fù)合膜。(Chemical Engineering Journal(IF=13.2), 2021, 413:127493);

  （3）為探究新型的高效抗菌分子，設(shè)計(jì)合成了一種仿生甲殼蟲(chóng)狀的抗菌大分子(International Journal of Biological Macromolecules(IF=6.9), 2020, 157:553-560，ESI高倍引論文);

  （4）為解決多孔粗糙纖維表面由于毛細(xì)管力吸附作用易黏附細(xì)菌的難題，提出了超疏水超疏油Cassie-Baxter狀態(tài)表面構(gòu)建技術(shù)，細(xì)菌液滴被空氣層懸浮在其表面(ACS Applied Materials & Interfaces(IF=9.2), 2018, 10: 6124-6136, ESI高被引，熱點(diǎn)論文);

  （5）為探究在任意異型表面構(gòu)筑抗細(xì)菌黏附表面技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)易噴涂抗細(xì)菌黏附微球的技術(shù)，提出了親水阻抗和疏水排斥型兩種抗細(xì)菌黏附模型，并論證了超疏水疏油/超疏水水下疏油特性是疏水表面抗細(xì)菌黏附的內(nèi)在機(jī)制，首次通過(guò)分子模擬闡述水化層阻抗是親水表面抗細(xì)菌黏附的內(nèi)在機(jī)制(Journal of Materials Chemistry A(IF=12.7), 2019, 7:26039-26052, ESI高被引);

  （6）提出實(shí)現(xiàn)了抗細(xì)菌黏附技術(shù)在基于Cassie-Baxter潤(rùn)濕狀態(tài)下具有抗液體干擾和抗細(xì)菌黏附的高拉伸性和超靈敏可穿戴柔性應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用(Advanced Functional Materials（IF=18.8）, 2020, 30(23): 2000398, ESI高被引);

  （7）為探究在復(fù)雜多變的環(huán)境下構(gòu)筑抗細(xì)菌黏附表面的技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)了一種智能抗細(xì)菌黏附溫度和光雙重響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)，提出并論證了溫度和紫外光照射刺激對(duì)復(fù)合表面的抗細(xì)菌黏附性能的影響規(guī)律及其機(jī)理。(Chemical Engineering Journal(IF=13.2), 2021, 407: 125783，ESI高被引)。