高分子科学前沿5月11日讯：含油污水对脆弱的生态系统构成重大威胁，并可能降低全球水-食物-能源关系和水-土壤-废物之间的联系。开发超亲水和超疏油水下材料是实现水包油乳液分离的有效策略，并已应用于工业含油污水处理。基本的分离原理主要依靠超亲水性，水可以顺利通过材料内部的孔隙结构和缝隙，在材料表面形成水化层，阻止油的通过。然后，微孔和小孔产生的毛细管力和高比表面积可以产生乳液破乳作用，有利于乳液分离。然而，结垢是制约超亲水材料应用的主要因素。引入亲水性官能团和增加表面粗糙度有助于提高材料表面的亲水性，从而提高抗污能力。

在此,哈工大邵路等人提出了一种主动防污机制，赋予超亲水膜对迁移粘性原油污垢的防污能力。通过模拟大丽花叶的层次结构/化学成分，膜表面装饰有皱纹图案微粒，展示了基于协同水化层/空间位阻的独特主动防污机制。纳米级皱纹图案降低了表面粗糙度并增加了膜表面与水分子之间的接触面积，扩大了油分子与膜表面之间的空间位阻。成功地抑制油品在膜表面的初始粘附、迁移和沉积，无论粘度如何，实现迁移粘性原油防污。该膜可实现原油/水乳液的高效分离，通量达到7247 L m−2 h−1 bar，截留率为99.6%。这项关于PFP机制的研究为实现超润湿材料在环境、能源、健康等相关领域的各种应用开辟了道路。该研究以题为“Surface manipulation for prevention of migratory viscous crude oil fouling in superhydrophilic membranes”的论文发表在《Nature Communications》上。

受大丽花叶超亲水性的启发，开发了具有皱纹图案的光滑亲水微粒，并将其涂覆在多孔微滤膜(MF)上，建立了非典型的超亲水性，这种超亲水性由抑制粘性原油液滴的吸附、迁移和聚集的“主动防污”(PFP)机制支撑。具体而言，基于传统的PRF机制，通过咖啡酸(CA)和不同(0.4、0.8 和 1.6 g)的(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)聚合形成光滑的亲水微粒，并将其命名为PCA /AP0.4、PCA/AP0.8和PCA/AP1.6。它们被涂在初级超亲水膜(PCA/APX MF)上。然后，在光滑的PCA/AP表面上描绘出皱纹图案。此类微粒表示为皱纹图案微粒(WPM X)，包含此类具有不同表面皱纹程度的微粒的改性膜表示为WPM X MF。

WPM II MF形成皱纹图案以提高原油抗污能力和分离性能的机理可归纳为：首先，适当降低表面粗糙度以扩大膜表面与油分子之间的空间位阻相互作用。其次，增加膜表面与水分子之间的接触面积，以增强膜表面附近的水分子密度和氢键(HB)的强度。这种紧密结合的水合层和空间位阻键保护膜免受原油污染。

图 1 |防止膜油污染的机制示意图

小结

为了克服传统PRF机制在迁移粘性原油污染方面的瓶颈，该研究将超亲水性和微/纳米尺度的分层结构相结合，以创建基于水化层和足够空间位阻相互作用之间协同作用的PFP机制。在光滑的微粒表面上勾勒出的皱纹图案可以增加水分子与膜表面之间的接触面积，进一步产生致密的水化层并增加膜表面与油分子之间的空间位阻相互作用。最后，水化层和位阻相辅相成，抑制原油在表面的初始吸附、迁移和沉积，无论黏度如何，达到抵抗迁移原油污染的目的。该超亲水膜表现出7247 L m −2 h −1 bar的透水性和精确的原油/水乳液分离。研究人员可以将这种引入皱纹表面图案的概念扩展到微滴控制、柔性可穿戴设备、生化防护、执行器等领域，进一步拓展超润湿性的应用。