田雪林课题组在抗污染高通量油水分离膜研究中取得进展

由于低能耗、低成本、易操控等优点，膜技术在各种工业生产和日常生活中发挥着越来越重要的作用，包括水净化、溶剂回收和石油生产等。虽然膜过滤已经成功地用于分离多种油/水混合物，但快速地分离出高黏性的有机液体仍然具有很大的挑战性，例如分离出海洋中漂浮的原油。为了快速地处理高黏性的有机液体，目前报道的方法主要是借用热能来降低高黏性油的黏度，例如光转热，焦耳热等。然而，这些方法依赖于外部能量的供应，或者需要复杂的设备。因此，如何在不寻求外部能量供应的情况下，通过材料表界面设计来减少膜-液界面相互作用和促进高黏度油的快速穿透和分离仍是一个很大的挑战。基于此，田雪林教授课题组首次提出了一种新的膜表界面设计策略，即将类液体表面功能化层引入到多孔膜表面，来提高多孔膜对高黏性液体的穿透通量和抗污性能。

类液体表面是通过共价键接枝在固体表面上的高度柔顺性的分子刷层，如聚二甲基硅氧烷。这些高度柔性的分子一端接枝在固体表面上，另一端可以自由运动，整体表现出类似液体的性质。田雪林教授课题组采用简单的热激活平衡反应制备了类液体分子刷修饰的不锈钢网膜(LPDMS-SSM)。如图1所示，高度柔顺的类液体分子刷可以降低油污在表面的接触角滞后和侧向附着力，从而降低了污染物在膜孔道内的吸附；同时高度柔性的类液体分子刷可作为润滑层促进界面滑移。两者协同，从而提高了膜的抗污染性能和油的穿透通量。

为了说明类液体表面特性在膜分离中的作用，将类液体改性不锈钢网膜与三种常用的表面改性方式改性的的不锈钢网膜做了对比，包括交联聚二甲基硅氧烷（CPDMS-SSM）、烷基链（OTS-SSM）和全氟烷基链（PFOS-SSM）。通过对比测试这四种表面改性策略对原油的穿透通量发现，LPDMS-SSM 膜对原油（黏度为132.9 mPa·s）的穿透通量远高于其它三种表面改性膜（CPDMS-SSM、OTS-SSM 和PFOS-SSM）（图2)。从质量-时间变化曲线的斜率可以看出，CPDMS-SSM、OTS-SSM 和PFOS-SSM 膜在原油穿透的过程中都出现了明显的通量下降，所观察到的通量下降很可能是由原油中的高黏性污染物（如蜡和沥青质成分）导致的膜污染所引起的。与另外三种膜相比，LPDMS-SSM在原油穿透测试过程中其穿透通量下降程度更小，证明了类液体改性膜具有更好的防污性能和液体穿透性。

进一步的原油/水混合物分离性能测试也证实了LPDMS-SSM 相比于另外三种膜具有更高的油水分离通量（图3）。CPDMS-SSM、OTS-SSM 和PFOS-SSM 膜在油水分离过程中都出现了快速的通量下降，而LPDMS-SSM 膜的分离通量下降更缓慢。这些结果清楚地证明了具有类液体表面改性膜可以有效提高原油的穿透通量，抑制膜污染，为发展可用于高黏性油水体系分离的高性能液体分离膜提供了新途径。相关的研究成果以“A grafted-liquid lubrication strategy to enhance membrane permeability in viscous liquid separation”为题发表在膜科学领域著名学术期刊Journal of Membrane Science上（2020, 610, 118240, DOI: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118240）。