不同润湿性的超湿界面多孔膜在含油废水处理中具有巨大的潜力。然而，目前开发的大多数可切换润湿性的智能分离膜的润湿性受外部环境因素的控制，如温度、pH和压力等。在恒定的环境下，它们只有一种润湿性，只能分离一种乳液。此外，在多种极端环境中，如强酸和强碱、高温或低温甚至含盐介质中，它们很难保持其原有性能，甚至失去分离能力；当分离材料接触到油或有机溶剂时，它们变得更加易燃；在低温下很容易冻结或破裂，这些都给给工业生产带来了不可预测的危机。因此，开发一种不受环境影响，在多种极端条件下均能够稳定地实现oil-in-water和water-in-oil乳液的可控分离的新型防火抗冻膜材料具有十分重要的意义。
近日，福建农林大学廖益强老师和张慧老师团队发表了最新研究成果“Electrospun SiNPs/ZnNPs-SiO2/TiO2 nanofiber membrane with asymmetric wetting: Ultra-efficient separation of oil-in-water and water-in-oil emulsions in multiple extreme environments”。作者受“川剧变脸”的启发，通过静电纺丝结合喷涂的两步法策略制备一种新颖的SiNPs/ZnNPs-SiO2/TiO2（SZST）纳米纤维膜，可在各种环境中快速切换其润湿性，实现oil-in-water和water-in-oil乳液的可控分离。两步法策略包括：（1）高温煅烧电纺TEOS／TBT/PVP纳米纤维膜;（2）喷涂疏水改性的SiO2纳米粒子（15nm）和ZnO纳米粒子（50nm）。所制备的SZST纳米纤维膜具有超亲水表面（SiO2/TiO2表面）和超疏水表面（SiNPs/ZnNPs表面）。SZST纳米纤维膜两侧润湿性相反，就像自然界的南北半球一样，状态相反，但又是互补的，这为oil-in-water和water-in-oil乳液的可控分离奠定了基础。该SZST纳米纤维膜具有以下特点：（1） 不受环境影响，只需“翻转”即可快速切换润湿性；（2） 在多种极端环境下，可实现oil-in-water和water-in-oil乳液的可控分离；（3） 微/纳米多级结构和疏水纳米粒子进一步提高了SiNPs/ZnNPs表面的超疏水性能；（4） 静电纺丝纤维堆积形成的大量亲水基团和表面粗糙结构，明显优化了SiO2/TiO2表面的超亲水性；（5） 优良的防火和抗冻性。因此，SZST纳米纤维膜在油水乳液分离中具有广阔的应用前景。
图1：静电纺丝、煅烧和喷涂工艺制备SZST纳米纤维膜示意图。
图2：SZST纳米纤维膜的表面形貌和化学组成。超疏水性SiNPs/ZnNPs表面(a)和超亲水性SiO2/TiO2表面(b)的数码照片； (c和e) 不同倍率下SiNPs/ZnNPs表面的FESEM图； (d和f) 不同倍率下SiO2/TiO2表面的FESEM图； (g) 基底（正面）和 (i) SiNPs/ZnNPs表面Zn元素的能谱Mapping; (h) 衬底（反侧）和(j) SiO2/TiO2表面Ti元素的能谱Mapping; (k)SiNPs/ZnNPs表面和(l) SiO2/TiO2表面EDX能谱分析。
图3：SiO2/TiO2表面的润湿行为：(a和b) SiO2/TiO2表面上的WCAs; (c-g) 甲苯、煤油、石油醚、正己烷和氯仿的UOCAs；(h-j) 不同pH值水环境中，甲苯的UOCAs；(k-n)膜在水下的抗油污染性能和低附着性能(o-q)；(r)在酸性、中性和碱性水环境中不同油的UOCAs。注：WCAs：water contact angles；UOCAs：underwater oil contact angles。
图4：SiNPs/ZnNPs表面的润湿行为。表面的WCAs (a和b)和OCAs (c和d)；膜的自清洁性能和低附着力性能(e-g)；(h-m) 在SiNPs/ZnNPs表面上滴下一滴水的照片，其斜率很小； (n-p)耐腐蚀性的照片，喷射到SiNPs/ZnNPs表面的溶液（酸性、中性和碱性）被挡住； (q) 对酸和碱溶液表面的WCAs。注：OCAs：Oil contact angle。
图5：SiO2/TiO2表面Oil-in-water乳液的分离性能研究。toluene-in-water乳液(a)、chloroform-in-water乳液(b)、kerosene-in-water乳液(c)、petroleum ether-in-water乳液(d)和n-hexane-in-water乳液(e)在分离前后的光学显微镜图像; (f) toluene-in-water乳液的粒度分析； (g)膜对不同oil-in-water乳液的分离效率和水通量；(h) SiO2/TiO2表面对oil-in-water分离的可回收。
图6：(a, c 和 e)膜在多种环境中的分离效率； (b)在低温（-20℃）和高温（80℃），(d)盐水（1mol/L NaCl），(f)强酸（pH=1）和碱性（pH=13）环境下，SiO2/TiO2表面对oil-in-water乳液分离的可回收性。
图7：SiNPs/ZnNPs表面对water-in-oil乳液分离性能研究。water-in-toluene乳液(a), water-in-chloroform乳液(b), water-in-kerosene乳液(c), water-in-petroleum ether乳液 (d)以及water-in-n-hexane乳液(e) 在分离前后的光学显微镜图像； (f) water-in-toluene乳液的粒度分析； (g) 膜对不同water-in-oil乳液的分离效率和通量；(h) SiNPs/ZnNPs表面对water-in-oil分离的可回收性； (i) SiNPs/ZnNPs表面的WCAs； (j) 不同温度下膜的分离效率； (k) 在低温（-20℃和(l) 高温（80℃）下，SiNPs/ZnNPs表面对water-in-oil乳液分离的可回收性； (m和n).乳液稳定性试验（监测16天），16d后，乳液仍保持稳定，无破乳现象。
图8：不同超湿界面多孔分离材料点燃（1300℃）不同时间后的燃烧行为： (a) 超湿滤纸、(b)超湿气凝胶、(c)SZST纳米纤维膜。不同超湿界面多孔分离材料在冰箱（-80℃）中放置不同时间后的损伤程度：(d) 超湿气凝胶、(e)SZST纳米纤维膜。
图9：(a) oil-in-water乳液的分离过程； (b) SiO2/TiO2表面的水下超疏水性示意图； (c) SZST纳米纤维膜oil-in-water乳液的分离过程示意图； (d) SiNPs/ZnNPs表面的疏水性示意图； (e) SZST纳米纤维膜water-in-oil乳液的分离过程示意图。
总之，作者利用静电纺丝结合喷涂策略制备了一种新型的SiNPs/ZnNPs-SiO2/TiO2（SZST）纳米纤维膜，可在多种环境下快速切换润湿性，实现oil-in-water和water-in-oil乳液的可控分离。即使在极端环境下（如强酸、强碱、高温或低温、甚至含盐环境），oil-in-water / water-in-oil乳液的分离效率仍保持在99%以上。所研制的膜通量达到2000L/m2h，较高的通量使其在实际应用中具有很大的优势。此外，该还具有优异的耐火性和抗冻性。因此，这种SZST纳米纤维膜具有重要的应用价值和应用前景。
论文链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586620321614
作者简介
廖益强，福建农林大学材料工程学院副教授，硕士生导师。
1996年7月毕业于合肥工业大学环境工程专业，获学士学位；
2003年6月毕业于福建农林大学木材科学与技术专业，获硕士学位；
2010年6月毕业于福建农林大学农产品加工及贮藏工程专业，获博士学位。
1996年8月-2002年5月福建林学院助教，
2002年5月-2009年11月福建农林大学讲师，
2009年11月至今福建农林大学副教授。
主要研究方向为：
生物质综合利用、生物质热解与生物质能源、环境污染与防治。
承担福建省自然科学基金项目“农林废弃物快速热解及热解油的精制研究”；科技厅项目“超临界CO2萃取番茄红素的研究”；福建省教育厅项目“生物基造纸污水絮凝剂的制备研究”。参加国家948项目、国家自然科学基金、省自然科学基金、省重大专项前期研究等部门10余个项目的研究。参加“杉木间伐材压缩密化实木地板的研究”，获福建省科技进步三等奖。在生物质热解液化理论、生物质能源研究、环境污染与防治等领域进行了较深入研究，取得了一定的成果。荣获了福建师大网络教育杯多媒体课件大赛二等奖；荣获了福建农林大学“优秀教师”、“大学生科技创新园丁奖”、“先进工会工作者”、“青年教师最佳一节课竞赛三等奖”、“优秀课件三等奖”、“优秀教案三等奖”等荣誉。发表的论文“流化床快速热解笋壳的研究”获得福建省科学基金研究会优秀论文。发表论文20多篇，以第一作者发表的学术论文10篇。参编专著1部，教材1部。
