大道至简：限域空间膜狭缝实现乳液中油和水的同步分离
现代工农业的发展与生活方式的改变衍生出大量的含油废水，既破坏环境，也浪费资源。另一方面，在乳化剂的作用下制备的水包油或油包水乳液广泛应用于石油、冶金、食品、制药等工业中。因此，油水混合物的高效分离与资源回收是一个持续了百年的科学与技术难题。其中的油水乳液较其它油水混合物更加稳定，其高效分离尤其困难。迄今已发展的油水乳液分离技术包括化学絮凝和电聚结等，大量的文献则聚焦于各种各样的分离膜材料及其膜分离技术。然而，这些技术通常只能分离出乳液中的油相或水相，而浓缩或稀释后的乳液作为废液需进一步处理或直接排放，距离实现零液排放与资源全回收目标仍有很大的差距。因此，如何同步回收稳定乳液中的油相和水相，成为分离科学与技术领域亟待攻克的重大难题。
浙江大学徐志康教授、杨皓程研究员、张超研究员所在的聚合物分离膜及其表界面工程团队突破了传统膜分离范式，提出了一种基于亲水膜/疏水膜组成的限域空间狭缝(Janus Channel of Membranes, JCM)的新概念与原型器件，从而发展了一类简单且高效的油水乳液同步分离技术，成功实现了 97%的油回收率和 75%的水回收率。相关研究成果以“Janus Channel of Membranes Enables Concurrent Oil and Water Recovery from Emulsions”为题，发表于 Science。
亲水/疏水膜狭缝的设计理念
JCM 是由亲水膜和疏水膜所共同组成的受限空间，乳液在这样的限域空间内流动时会显著影响到液滴之间的碰撞，因此，狭缝的宽度对乳液分离效率至关重要。当狭缝宽度较大(>100 mm)时，亲水膜和疏水膜之间互不干涉，分离水包油乳液时，亲水膜侧可以获得水，疏水膜侧可以获得极少量的油，其分离效率很低。当狭缝宽度从 100 mm 以上逐步缩小至 4 mm时，油回收率从5%显著提升至 97%，水回收率也可从 19%提高至 75%。
图 1. 亲水/疏水膜狭缝宽度对油水乳液分离的影响。
亲水/疏水膜狭缝的乳液分离机制
随着亲水/膜疏水膜间距的不断缩小，二者形成的狭窄通道在乳滴破乳分离中发挥了关键作用。JCM 的分离机制包括局部快速浓缩和受限空间内的碰撞增强。以分离水包油乳液为例，在狭小空间内，随着水在亲水膜一侧的导出，料液中乳滴的局部浓度迅速增加；与此同时，狭窄通道内乳滴的碰撞概率也显著提升。二者协同作用下，乳液的“浓缩-聚并-破乳”过程得到了显著强化。
图2. JCM 的分离机制。A 为狭缝宽度对油/水回收率的影响，B 为狭缝宽度对浓缩的影响，C 为狭缝宽度对碰撞概率的影响。
另一方面，亲水膜/疏水膜间的相互影响也对分离过程起到了重要作用。我们分别构建了仅具有单侧亲水膜或疏水膜的狭缝，发现尽管狭缝的存在能够增强单一亲水膜或疏水膜的分离效率，但其油水回收率仍显著低于亲水膜/疏水膜狭缝。特别是在乳化剂含量较高时，三种狭缝的回收率均有所下降，但相较于单一膜构建的狭缝，亲水/疏水双膜狭缝的降幅较小，展现出其在处理更稳定乳液时的显著优势。
图 3. 不同类型狭缝分离性能对比。其中 UBC 为单侧疏水膜狭缝，UIC 为单侧亲水膜狭缝。
值得一提的是，由于 JCM 中亲水膜/疏水膜之间的间距很小，二者对水和油的渗透分离过程相互影响，形成了一种新的“反馈机制”：亲水膜移除水相导致乳液浓度增加，从而促进乳滴的碰撞、聚并和破乳，提升了油的渗透通量；与此同时，油相的持续移除有助于降低膜表面的乳液浓度，进而减轻了因浓差极化现象对亲水膜渗透通量的抑制作用。
图 4. JCM 分离水包油乳液过程中的反馈机制。
亲水/疏水双膜狭缝分离油水乳液的普适性
JCM 能够有效分离不同油相和乳化剂的水包油乳液体系。在相同的分离时间内，随着油相粘度的增加，油和水的回收率均有所下降。同时，当亲水膜的表面电荷与乳化剂的荷电性一致时，膜的抗污染性能得到显著提升，从而表现出更高的分离效率。此外，JCM 对水包油和油包水乳液均展现出优异的分离效果。
图 5. JCM 分离乳液的普适性。A 为油相粘度的影响，B 为乳化剂的影响，C 为乳液类型的影响。
“表面界面连枝花，油水分离不离她；亲水疏水膜狭相逢，弦歌不辍灼芳华。”课题组组长徐志康教授表示，这项研究是团队多年沉淀后的又一重大发现，在环境保护、资源回收等多个领域都具有非常广阔的应用前景，团队成员将继续深入研究，推动技术进步和落地转化。
该论文的第一作者为浙江大学高分子科学与工程学系 2022 级硕博连读研究生郭馨宇，通讯作者为浙江大学高分子科学与工程学系的杨皓程百人计划研究员和张超百人计划研究员以及浙江大学高分子科学与工程学系和海洋学院双聘教授徐志康。大连理工大学的赵磊副教授协助计算了液滴的碰撞概率，浙江大学高分子科学与工程学系梁洪卿百人计划研究员和化学系吴健教授参与器件的设计与课题讨论，浙江大学高分子科学与工程学系博士后李浩南参与了实验的设计。该项工作得到了国家自然科学基金委-浙江省区域创新联合基金、国家重点研发计划和广东省自然科学基金的资助。