石油、冶金、食品、制藥等工業生產過程會產生大量的含油廢水。其中，乳化劑穩定的油水乳液在后續處理時最為棘手。如何高效、同步回收穩定乳液中的油和水，成為分離科學與技術領域近百年來亟待攻克的一大難題。
工業生產中含油廢水來源及其種類。（課題組供圖）
浙江大學教授徐志康，研究員楊皓程、張超所在的聚合物分離膜及其表界面工程團隊突破傳統膜分離范式，提出了一種基于親水膜/疏水膜組成的限域空間狹縫的新概念與原型器件，從而發展了一類簡單且高效的油水乳液同步分離技術，成功實現了97%的油回收和75%的水回收。相關研究成果于近日刊發于《科學》雜志。
油水乳液主要分為水包油和油包水兩種類型。要將油水乳液中的油相和水相同步高效分離尤為困難。迄今為止，較為成熟的油水乳液分離技術包括化學絮凝、電聚結與離心分離、膜分離等。
然而，這些方法通常只能分離出乳液中的部分油相或部分水相，剩余廢液仍需進一步處理或被直接排放，距離實現“零液排放”與資源全回收的可持續發展目標仍有很大的差距。
徐志康團隊在聚合物分離膜及其表界面工程領域深耕二十余年，通過分離膜表面工程技術，研發了一系列超親水的分離膜材料，可從水包油乳液中選擇性的分離水相。同時，他們也研發出一種表面性質迥異、一面親水一面疏水的“兩面神”非對稱多孔膜，能夠實現水包油乳液中分散油滴的捕獲與分離。
然而，上述研究仍只能實現有水乳液中單一組分的分離。隨著實踐經驗的積累和研究的不斷深入，團隊成員創新性提出，是否可以嘗試用一張親水膜和一張疏水膜共同組成雙向水油分離系統，實現水、油同步分離？
通過大量實驗，團隊發現，在親水膜和疏水膜所共同組成的狹縫空間中分離水包油乳液時，當狹縫寬度較大，親水膜和疏水膜之間互不干涉，分離效率低。但是，當狹縫寬度從100mm以上逐步縮小至4mm時，水、油回收效率發生了質的飛躍。疏水側的油回收率從5%大幅提升至97%，親水側的水回收率也從19%提高至75%。
為進一步探究狹縫的作用機理，團隊發現，隨著親水膜和疏水膜間距不斷縮小，狹縫的“擠壓”作用在乳滴破乳分離中發揮了關鍵作用。
此外，親水膜與疏水膜各自的分離過程存在一種“正向反饋機制”：親水膜移除水導致乳液濃度增加，促進了乳滴的碰撞、聚并和破乳，提升了油的滲透通量。與此同時，油的持續移除又有助于降低膜表面的乳液濃度，進而減輕了因濃差極化現象對親水膜滲透通量的抑制作用。得益于這種反饋機制，油水同步分離效率大幅提升。
“這個系統用到的膜材料簡單，分離高效，能夠廣泛應用于不同類型的水包油和油包水乳液體系。”楊皓程介紹，當親水膜的表面電荷與乳化劑的荷電性一致時，膜的抗污染性能得到顯著提升，從而表現出更高的分離效率。
徐志康表示，這項研究是團隊多年沉淀后的又一重大發現，在環境保護、資源回收等多個領域都具有非常廣闊的應用前景，團隊成員將繼續深入研究，推動技術進步和落地轉化。
相關論文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq6329
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