超疏水油水分離膜，也能3D打印

就在數(shù)周前，載凝析油約13.6萬噸的“桑吉”輪因碰撞事故起火并沉沒。據(jù)央視新聞報道，“桑吉”輪沉沒后海面上只有的殘留物和殘油在燃燒，并形成了10平方公里的油污帶，溢油情況非常嚴重。

圖片來源：央視新聞

這樣的石油產(chǎn)品泄漏事件對于海洋環(huán)境及生態(tài)的影響巨大，除此之外工業(yè)含油污水排放的不斷增加，也使得不少河流湖泊收到含油廢水的污染。油水分離處理是解決這些問題的關(guān)鍵步驟，目前諸多的多孔材料已經(jīng)廣泛應用于各種場合的油水分離，如網(wǎng)柵狀材料、纖維織物、海綿/泡沫狀基材等。上述膜材料都展現(xiàn)出較高的油水分離效率，但是其涉及到的無溶劑誘導相分離、熱誘導相分離、蒸汽誘導相分離等多孔膜制備方法往往產(chǎn)生大量的資源浪費，同時帶來水污染和空氣污染問題。3D打印技術(shù)作為一種新型的高效材料成型技術(shù)，已經(jīng)大量應用于各種復雜結(jié)構(gòu)三維材料的制備。但是，基于3D打印技術(shù)制備用于油水分離應用多孔膜材料的相關(guān)研究還相對較少。

近日，比利時魯汶大學（KU Leuven）化學工程系Bart Van der Bruggen研究團隊采用選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)制備聚砜多孔膜，隨后在其上沉積蠟燭灰（candle soot）疏松網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，輕松獲得超疏水表面。這種具有優(yōu)異機械穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性超疏水聚砜膜兩側(cè)呈現(xiàn)不同的潤濕性，而且通過水預潤濕，表面能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槌�疏油狀態(tài)。該超浸潤性功能膜材料在油水循環(huán)應用中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性和理想的分離效率。

圖片來源：J. Mater. Chem. A

選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)的分辨率在微米級別，非常適用于制備具有微米級孔結(jié)構(gòu)的油水分離膜。在激光燒結(jié)過程中其激光功率、掃描間距、掃描基數(shù)等參數(shù)對最終多孔膜的形貌具有重要的影響。研究團隊經(jīng)過系統(tǒng)研究最終選定最佳工藝參數(shù)為：選用耐溫性較好的聚砜為聚合物基質(zhì)，激光功率15 W，掃描間距0.15 mm，掃描基數(shù)1。構(gòu)筑的多孔聚砜膜的SEM形貌表征顯示，最表層為相對致密的多孔激光燒結(jié)膜，表層底部是聚砜顆粒未完成燒結(jié)形成的顆粒狀結(jié)構(gòu)，膜底部則為疏松的聚結(jié)的聚砜顆粒結(jié)構(gòu)。

3D打印聚砜膜表面、截面和底部形貌SEM表征。圖片來源：J. Mater. Chem. A

基于最佳工藝參數(shù)構(gòu)筑的多孔聚砜膜M1其表面孔徑范圍為12-114 μm，平均孔徑為51.8 μm，與聚砜顆粒尺寸相當。膜的水通量和力學性能測試表明多孔聚砜膜M1具有較高的水通量（24,600 L/(m2 h bar)）和優(yōu)異的機械性能（抗張強度為17.3 MPa），加工工藝參數(shù)對膜性能也呈現(xiàn)出重要影響。由于多孔聚砜膜兩側(cè)具有不同的表面形貌結(jié)構(gòu)，其表層和底部呈現(xiàn)出不同潤濕性：多孔膜頂層水接觸角為89°，底部水接觸角為124°。

3D打印聚砜膜的性能和物理性質(zhì)。圖片來源：J. Mater. Chem. A

隨后，研究人員在多孔聚砜膜表面通過浸漬自組裝沉積蠟燭灰粗糙結(jié)構(gòu)。隨著浸漬時間的延長，多孔膜表面沉積形成的無機顆粒層形貌和疏水性都產(chǎn)生了顯著的變化，當浸漬時間超過28 min時膜表面水接觸角達到155°。

沉積蠟燭灰的聚砜膜的水接觸角變化。圖片來源：J. Mater. Chem. A

這種沉積蠟燭灰的3D打印聚砜膜具有超疏水性，表面水接觸角可達161°，滾動角小于5°，而且對鹽酸溶液、熱水、氫氧化鈉溶液等都呈現(xiàn)優(yōu)異的超疏性能，化學穩(wěn)定性優(yōu)異。此外還能呈現(xiàn)出超親油特性，油滴能夠迅速的滲透入膜內(nèi)（＜ 1.5 s）。

沉積蠟燭灰的多孔聚砜膜表面的超疏水/超親油特性。圖片來源：J. Mater. Chem. A

在油水分離實驗中，這種沉積蠟燭灰的3D打印聚砜膜表現(xiàn)出了良好的性能。其重力驅(qū)動通量約為19,000L/(m2 h)，分離效率超過99%，而且循環(huán)使用性能穩(wěn)定，10個循環(huán)之后，分離率仍可超過99%。更有意思的是，通過水預潤濕，膜表面能夠從超疏水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌�疏油狀態(tài)（下圖e）。

沉積蠟燭灰的多孔聚砜膜的油水分離（水中加入紅色染料）。圖片來源：J. Mater. Chem. A

基于選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)和表面無機顆粒沉積修飾，本文作者構(gòu)筑了表面具有超疏水/超親油特性的多孔聚砜膜材料，而且通過水預潤濕，膜表面還能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槌�疏油狀態(tài)。該多孔膜材料具有優(yōu)異的機械性能和化學穩(wěn)定性，在高效油水分離應用中展現(xiàn)出良好的應用前景。該研究成果避免傳統(tǒng)分離膜構(gòu)筑過程中帶來的資源浪費和環(huán)境污染問題，為高效油水分離膜的構(gòu)筑開辟了新的途徑。
作者：宗傳永-濟大
來源：X一MOL資訊