电场耦合Janus双膜通道通过液滴的主动迁移和聚结促进乳液分离
从表面活性剂稳定的乳液中同时回收水和油，对于减少废水排放和实现资源回收具有至关重要的作用；然而，由于乳液液滴尺寸微小且具有极高的动力学稳定性，同步回收过程极具挑战性。此前我们报道了一种Janus双膜通道（JCM），JCM通过在狭窄通道内整合亲水膜和疏水膜，实现了油水的同时收集。然而，其性能受到以下因素的制约：1）乳化液滴在亲水膜附近积累并阻碍水渗透；2）疏水膜难以有效捕获高度稳定的微小液滴。
为此，我们开发了一种电场耦合JCM（e-JCM），即在JCM结构上施加直流电场，在分离过程中主动调控液滴的行为（图1和图2）。电场诱导乳化液滴发生界面电荷极化以促进液滴聚结，同时驱动带电乳化液滴发生定向迁移，使其远离亲水膜表面并向疏水膜移动。对于由5 mg mL-1十二烷基硫酸钠（SDS）稳定的乳液，e-JCM实现了约93%的水回收率和99%的油回收率（约为JCM回收率的两倍），同时保持了超过99.9%的产品纯度。这项工作展示了一种将外场调控与膜结构相结合的有效策略，能够增强从稳定乳液中同时回收水和油的能力。
图1. 用于水包油乳液分离的 JCM 和 e-JCM 示意图。
图2. (a) e-JCM器件示意图；(b) 亲水膜与(c) 疏水膜的实物照片、表面SEM图像及水接触角（WCA）。
首先，我们验证了e-JCM的同步分离能力（图3a-b）,随后考察了其对比JCM的性能提升（图3c-g）。
图3. (a) 用于乳液分离的 e-JCM 的实物照片。(b) 乳液（左）、收集的水（中）和油（右）的光学显微照片，插图为实物照片，比例尺为 50 μm。(c) JCM和e-JCM分离表面活性剂含量在 1 mg mL-1 至 7 mg mL-1 范围内的乳液的性能。(d) 经JCM和e-JCM分离后，水中的 TOC 含量及油中的含水量。(e) 在10至50 V电压下e-JCM的分离性能。(f) 水通量和 (g) 油通量随滤液吞吐量变化的演变曲线。
对于e-JCM增强乳液分离的机理，我们分别针对电场诱导油滴表面电荷极化以促进破乳和电场驱使油滴定向从亲水膜迁移到疏水膜进行详细解释（图4和图5）。
图4. (a) 两个乳化液滴间相互作用势能的示意图。(b) 含有阳离子荧光表面活性剂的油滴在有无电场条件下的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像，比例尺为 10 μm。(c) 在0 V和 50 V电压下，乳化液滴平均尺寸随时间的变化。(d) 在50 V电压下，乳化液滴尺寸分布随时间的变化。(e) UBC 和 e-UBC 的油通量随时间的变化。
图5. (a) 亲水膜表面附近的乳化液滴示意图及原位共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像。(b) 净电荷 q 和半径 r 对乳化液滴初始加速度 a 的影响。(c) UIC 和 e-UIC 的水通量随时间的变化情况。
此外，我们还考察了不同电场方向性的影响，并考虑了其针对不同荷电性乳液的分离效果（图6）。
图6. (a) 电场方向示意图，其中将从疏水膜指向亲水膜的方向定义为电场的正方向（+）。(b) 由阴离子、阳离子和非离子表面活性剂制备的乳化液滴的 Zeta 电位。(c) 阴离子、(d) 阳离子和 (e) 非离子表面活性剂乳液在不同电场方向下的 e-JCM 分离性能。
e-JCM的实际应用潜力也得到了考察，我们设计了5中含有不同组分的乳液并证明e-JCM对这些复杂乳液均能够实现高效分离。同时我们开展了多次循环清洗测试以验证e-JCM良好的循环使用性能。
图7. (a) 乳液 1 至 5 的电导率和 Zeta 电位。(b) e-JCM 对乳液 1 至 5 的分离性能。(c) JCM 和 e-JCM 在多次分离与清洗循环过程中的水通量随时间的变化情况。每次乳液分离 30 分钟后，将进料更换为纯水并持续 40 分钟；实验采用乳液 1 作为模型乳液。(d) JCM 和 e-JCM 的可逆水通量衰减率 (DRr) 和不可逆水通量衰减率 (DRir)。
综上，我们开发了一种电场耦合Janus双膜通道（e-JCM），通过将JCM与直流电场相结合，提升了从稳定乳液中同时回收油和水的效率。从机理上讲，施加的电场力通过诱导乳化液滴从亲水膜表面主动脱离，破坏了浓差极化层，进而提高了水回收率；同时，电场力降低了聚结能垒，促进了破乳过程，从而提高了油回收率。e-JCM还表现出极佳的操作稳定性，在循环分离与清洗测试中，其不可逆水通量衰减率保持在4%以下。这项工作确立了一种结合材料设计、器件架构和外场调控的综合策略，用于解决复杂的分离难题。
该工作近期以“Electro-Coupled Janus Channel of Membranes Sharpens Emulsion Separation via Active Droplet Migration and Coalescence”为题发表在Chemical Engineering Journal上(DOI：10.1016/j.cej.2026.182253)。文章第一作者为博士研究生郭馨宇，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资助。