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福州大學(xué)賴躍坤教授、蔡偉龍研究員和黃劍瑩教授 AM：防粘抑污類液體功能涂層用于粘稠油體穩(wěn)定乳液的高效可持續(xù)分離和油品回收
2025-03-11  來(lái)源：高分子科技

  膜分離技術(shù)以其高效、經(jīng)濟(jì)和易操作的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于水處理、油水分離和藥物制備等領(lǐng)域。然而，在處理油包水乳液時(shí)，傳統(tǒng)分離膜因其親油性易被油污染，導(dǎo)致膜孔堵塞和性能迅速下降，甚至失去分離功能。實(shí)現(xiàn)乳液分離的關(guān)鍵在于膜材料的滲透性、選擇性和穩(wěn)定性。然而，高選擇性的膜往往難以兼顧長(zhǎng)期穩(wěn)定性，容易因油污染而導(dǎo)致性能下降。因此，開發(fā)具有優(yōu)異抗污染性能的分離膜，是提升乳液分離效率與可持續(xù)性的核心技術(shù)挑戰(zhàn)。


  鑒于此，福州大學(xué)賴躍坤、蔡偉龍和黃劍瑩教授等人通過(guò)相分離、光交聯(lián)制備了一種類液體聚合物涂層PS-PPS-PTF@ATP，表現(xiàn)出快速滲透性和高選擇性，同時(shí)保持自清潔性能，有效防止膜污染并確保持久的乳液分離和油品回收。


涂層的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理


  這種涂層通過(guò)軟性納米膠束和剛性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同作用，為分離過(guò)程提供了高選擇性、滲透性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。納米膠束(PTF@ATP)由聚(甲基-3,3,5-三氟丙基硅氧烷)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷通過(guò)相分離和靜電吸附作用獲得，賦予涂層類液體防污特性。而由巰基功能化聚籠倍半硅氧烷與乙烯基封端聚二甲基硅氧烷點(diǎn)擊反應(yīng)形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(PPS)，則為涂層提供了優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和選擇性。此外，聚苯乙烯（PS）的引入進(jìn)一步增強(qiáng)了涂層與多種基底的附著力，使其具備廣泛的適用性。


圖1. 類液體聚合涂層的制備與表征


涂層的防污性能與機(jī)理分析


  PS-PPS-PTF@ATP涂層的防污性能通過(guò)與其他材料（包括商業(yè)疏水性聚偏氟乙烯（PVDF）膜和過(guò)氟烷基化硅烷涂層（PFTS））進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。結(jié)果表明，盡管PFTS涂層的網(wǎng)格具有較高的疏油性和疏水性，但由于缺乏必要的選擇性，導(dǎo)致其在油水分離中的效果不佳。商業(yè)PVDF膜雖然具備一定的選擇性，但容易受到油污污染，并且疏水性迅速喪失，因此不適合長(zhǎng)時(shí)間使用。相比之下，PS-PPS-PTF@ATP涂層在接觸高粘度油（如泵油和原油）時(shí)，能夠有效防止油污殘留，展現(xiàn)出其卓越的防污性能。因此，該涂層在油水分離條件下，會(huì)表現(xiàn)出比傳統(tǒng)膜更優(yōu)異的穩(wěn)定性。


圖2. 類液體聚合涂層的防污性能和疏水性能


  PS-PPS-PTF@ATP涂層的防污機(jī)理主要來(lái)源于其“雙重防御”結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該涂層結(jié)合了軟性納米膠束（PTF@ATP）和剛性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（PPS）的協(xié)同作用，有效降低了液體在表面的附著能。軟性納米膠束通過(guò)其低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和靈活的分子鏈段提供了液態(tài)滑移特性，減少了油類和水分子在涂層表面的附著，使污染物難以積聚。交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)PPS則提供了涂層的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，增強(qiáng)了涂層在惡劣環(huán)境下的耐久性，防止了膜表面因長(zhǎng)期使用而發(fā)生的損壞和污染積累。這種結(jié)構(gòu)的結(jié)合使涂層具有卓越的抗油污粘附能力，并能夠在高粘度液體和腐蝕性環(huán)境中維持長(zhǎng)時(shí)間的防污效果，有效提升了涂層的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命。


圖3. 類液體聚合涂層的防污機(jī)理


涂層的乳液分離性能


  在乳液分離性能方面，PS-PPS-PTF@ATP涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，特別是在處理高粘度油水乳液時(shí)。該涂層能夠有效地分離不同粘度的乳液，并能夠在長(zhǎng)時(shí)間分離過(guò)程中保持高分離效率。涂層的優(yōu)異性能還表現(xiàn)在其極低的分離通量下降率（RFD），在高粘度乳液分離過(guò)程中，涂層的分離通量下降幅度極小，即便在連續(xù)操作6 h后，依舊保持高透明度的濾液，證明其在長(zhǎng)期使用中的穩(wěn)定性和高效性。這些結(jié)果表明，PS-PPS-PTF@ATP涂層具備了長(zhǎng)期有效分離高粘度乳液的能力，并在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的潛力。


圖4. 不同粘度的油包水乳液分離效果


  總之，該研究報(bào)道了一種新型高效高粘度乳液分離方法，即構(gòu)建雙防污結(jié)構(gòu)化類液體聚合物涂層。該結(jié)構(gòu)在表現(xiàn)出高選擇性和耐腐蝕性的同時(shí)，有效抵抗膜污染，能夠高效分離各種油包水乳化液，尤其是高粘度乳液（97.3 cP）。涂層在連續(xù)分離3 h后，分離效率保持在99.6%以上，此外，經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、鹽及有機(jī)溶劑環(huán)境15 h浸泡后，涂層的分離效率依然超過(guò)95%。首次實(shí)現(xiàn)了6 h粘稠乳液的連續(xù)高效分離，通量穩(wěn)定。這種創(chuàng)新的“雙防”策略顯著提高了涂層的穩(wěn)定性和分離效率，有效解決了傳統(tǒng)疏水膜或篩分膜中出現(xiàn)的嚴(yán)重膜污染問(wèn)題。這表明這種類液體涂層在乳液分離、油品凈化和回收應(yīng)用中具有廣闊的潛力。


  該工作以“Ultra-Antifouling Liquid-Like Surfaces for Sustainable Viscous Water-in-Oil Emulsions Separation and Oil Recovery”為題發(fā)表在《Advanced Materials》，文章第一作者是福州大學(xué)化工學(xué)院博士研究生鄭微微，通訊作者為福州大學(xué)賴躍坤教授，蔡偉龍研究員和黃劍瑩教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22375047、22075046和22378068）、福建省自然科學(xué)基金（2022J01568）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3804905 和 2022YFB3804900）和111項(xiàng)目（D17005）等項(xiàng)目的資助。


  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413751

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（責(zé)任編輯：xu）
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