集成亲水性与两面神中空纤维的双膜组件顺序分离乳液中的水和油

在各类含油废水中，由表面活性剂稳定的油水乳液处理尤为困难，这是由于表面活性物质趋向于吸附在油水界面，降低界面张力，形成界面膜。因低能耗、高效率和高选择性，膜技术已被广泛用于从稳定的油水乳液中分离水相或油相。然而，传统膜过滤或膜破乳过程中，乳液体系浓度的单调变化限制了分离膜性能的保持，且浓缩或稀释的进料废液有待进一步处理。

为了解决上述问题，浙江大学聚合物分离膜材料及其表界面工程课题组(SIEPM)提出将亲水膜的乳液截留能力与Janus膜的破乳特性相结合，简单耦合乳液截留浓缩与破乳回收稀释的双机制，实现从水包油乳液中高效顺序回收水和油(图1)。

图1. 单一膜组件与双膜组件流程示意及其分离机制

其中，亲水膜为聚醚砜 (PES) 中空纤维膜。用于破乳的Janus膜在结构上需具备较薄的亲水层与较厚的疏水层，因此通过将亲水性的聚多巴胺与聚阳离子(PDDA)单面共沉积在聚丙烯中空纤维膜上制备。故亲水膜组件可在渗透侧收集水，而保留侧为浓缩的乳液，而Janus膜组件则回收油并产生稀释的乳液。在这一过程中，油与水均被回收。

图2. 双膜组件与单一膜组件分离性能对比

相较于单一的亲水膜或Janus膜组件，双膜组件表现出更高的水通量与油通量，系统中的乳液浓度表现为先上升后下降的动态变化。与单膜组件相比，油回收率提高了280%，水回收率提高了27%。此外，渗透油中的水含量低于0.03%，渗透水中的总有机碳低于12 ppm (图2)。

通过对比单一膜组件对不同初始浓度乳液的回收性能，发现亲水膜表面的浓差极化与污染导致亲水膜水通量衰减，并且过滤过程中乳液被截留浓缩则会加剧这一影响(图3)。而对于Janus膜组件，油通量的下降是由于分离过程中乳液浓度的稀释与大油滴的去除。

图3. 单一膜组件的性能限制：a) 亲水膜组件；b) Janus膜组件

改变操作条件会对双膜组件分离性能产生影响。其中，亲水膜与Janus膜的过滤面积比可以影响系统中两个组件的通量比，增加亲水膜面积可提高油和水的回收率(图4)。

图4. 膜过滤面积比对双膜组件分离性能的影响

双膜组件还能分离不同表面活性剂种类与含量以及不同油相的水包油乳液体系。表面活性剂的类型与浓度影响乳液的荷电性与稳定性。静电引力有助于Janus膜对乳液的破乳。因此，带正电的Janus膜对带负电乳液的破乳效率高于带正电的乳液(图5)。当表面活性剂的浓度增加时，乳液的平均粒径减小，增加了油相回收的难度。另外，随着油相粘度的增加，油和水的回收率均有所下降(图6)。

图5. 表面活性剂种类对双膜组件分离性能的影响

图6. a) 表面活性剂浓度与 b) 油相种类对双膜组件分离性能的影响

综上，设计了一种集成Janus膜和亲水膜的双膜组件，以实现将水包油乳液顺序分离成油和水。这一策略有效地解决了亲水膜和Janus膜在单独截留过滤或破乳回收的局限性。与单一膜过程相比，集成的双膜系统允许动态调节系统内的乳液浓度，缓解乳液浓度单调变化导致的通量下降问题，有望实现零液排放的目标。

该工作近期以“Sequential separation of oil-in-water emulsions using integrated hydrophilic and Janus membrane modules”为题发表在Separation and Purification Technology上(DOI：10.1016/j.seppur.2024.130552)。文章第一作者为硕士研究生朱睿，团队导师杨皓程研究员和徐志康教授为共同通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和浙江省自然科学基金的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130552