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蘇州大學(xué)靳健教授團(tuán)隊(duì) AFM：粘結(jié)性-水合性梯度結(jié)構(gòu)水凝膠涂層助力分離膜實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)定油水分離
2022-09-06  來(lái)源：高分子科技

  膜分離技術(shù)因高效率、低能耗等優(yōu)勢(shì)在含油廢水處理中具有重要應(yīng)用，但傳統(tǒng)分離膜易受油污染，造成膜孔堵塞和分離性能持續(xù)衰減。富含親水基團(tuán)、具有強(qiáng)水合性的水凝膠涂層可賦予分離膜出色的抗油污染性能。然而，常規(guī)水凝膠包括粘性水凝膠涂層對(duì)分離膜的高粘附修飾和對(duì)油的低粘附抗污染之間存在此消彼長(zhǎng)的矛盾問(wèn)題，在油水分離過(guò)程中易剝離（圖1a所示）。構(gòu)建兼?zhèn)鋸?qiáng)修飾穩(wěn)定性和抗油污染性的水凝膠涂層是高性能油水分離膜研究中的一個(gè)挑戰(zhàn)。


圖1. 圖示說(shuō)明（a）常規(guī)非梯度水凝膠和（b）梯度水凝膠修飾的分離膜在油水分離過(guò)程中的穩(wěn)定性差異。


  針對(duì)這一難題，蘇州大學(xué)靳健教授團(tuán)隊(duì)提出構(gòu)建一種強(qiáng)粘結(jié)性成分原兒茶酸（PCA）和強(qiáng)水合性成分海藻酸鈣（CaAlg）從內(nèi)向外呈梯度分布的水凝膠涂層（圖1b所示）。PCA-CaAlg梯度水凝膠涂層巧妙地集成了優(yōu)異的膜修飾穩(wěn)定性、抗油污染性、超薄厚度和耐用性。最內(nèi)層PCA使水凝膠涂層牢固地粘附修飾于多種分離膜表面；最外層CaAlg形成水合保護(hù)層賦予被修飾分離膜出色的抗油污染性能；PCA和CaAlg的梯度分布消除了兩者之間的界面隱患，使水凝膠涂層在具有40 nm厚度的同時(shí)具有良好的耐用性。該工作以“Gradient Adhesive Hydrogel Decorated Superhydrophilic Membranes for Ultra-Stable Oil/Water Separation”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2022, 2205990）。


  PCA-CaAlg梯度水凝膠修飾的高分子濾膜和金屬網(wǎng)膜均表現(xiàn)出超親水和水下超疏油性質(zhì)，并在沖刷、摩擦、剝離、超聲等破壞測(cè)試中展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和持久的抗油污染性 （圖2）。作為對(duì)照，PCA-CaAlg非梯度水凝膠修飾的分離膜在相同破壞測(cè)試后水凝膠涂層剝離嚴(yán)重，抗油污染性能喪失。


圖2. 梯度水凝膠修飾的PVDF膜（GAH-d-PVDF）和非梯度水凝膠修飾的PVDF膜（NGAH-d-PVDF）在破壞測(cè)試后的形貌、水下超疏油性和抗油污染性能差異。


  PCA-CaAlg梯度水凝膠修飾的分離膜可實(shí)現(xiàn)油/水乳液和原油/水混合物的高效率、高通量分離，并展現(xiàn)出極為優(yōu)異的循環(huán)性能。其中，梯度水凝膠修飾的PVDF膜在含乳化劑的油/水乳液分離中展現(xiàn)出99.96%的分離效率和1720 L m-2 h-1bar-1的水通量，在5次循環(huán)分離中展現(xiàn)出~100%的通量恢復(fù)率和近乎為零的不可逆污染。針對(duì)高粘度、高污染性原油，梯度水凝膠修飾的不銹鋼膜實(shí)現(xiàn)了原油/水混合物的高效分離，分離效率達(dá)99.996%，水通量達(dá)6500 L m-2h-1，在長(zhǎng)達(dá)280小時(shí)循環(huán)分離中，同樣展現(xiàn)出~100%的通量恢復(fù)率和近乎為零的不可逆污染（圖3）。而非梯度水凝膠修飾的不銹鋼膜在相同循環(huán)分離中穩(wěn)定性差，性能衰減嚴(yán)重。該工作為研發(fā)面向?qū)嶋H油水分離應(yīng)用的抗污染分離膜提出了一種全新的策略。


圖3. 梯度水凝膠修飾的不銹鋼膜（GAH-d-SSM）和非梯度水凝膠修飾的不銹鋼膜（NGAH-d-SSM）在原油/水混合物連續(xù)循環(huán)分離中的性能差異。


  該論文第一作者為中科院蘇州納米所高守建博士，通訊作者為蘇州大學(xué)靳健教授。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心（21988102）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFA0705800）和國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（22105219）等項(xiàng)目的支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202205990

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（責(zé)任編輯：xu）
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