华南理工大学宁成云教授团队《Nano letters》:“魔”法神器—油水分离新突破

工农业生产以及频繁发生的石油泄漏事对人类健康和生态环境造成了灾难性难题,这与人类构建可持续发展的社会趋势背道而驰。因此开发一种从混合物中选择性分离大量有机污染物或水的方法迫在眉睫。传统的油水分离技术存在分离效率低、装置复杂和成本高等缺点。近些年特殊超润湿性的膜在油水分离中的应用引起了广泛关注,但分离材料的可逆性、机械强度以及实际应用前景存在有待优化之处。

为了解决以上难题,华南理工大学材料科学与工程学院宁成云教授团队和中科院理化研究所周亚红团队设计了一种具有导电聚合物纳米尖端阵列修饰的新型微/纳米多孔膜,通过调节纳米尖端的高度和氧化还原状态可以得到具有超亲水超疏水转化的智能分离膜,并且纳米尖端水膜的形成增强了膜的渗透性,提高分离膜的分离效率,为智能分离膜的设计提供了新思路。该项成果以题为“Ultrafast and On-Demand Oil/Water Separation Membrane System Based on Conducting Polymer Nanotip Arrays”发表在《Nano letters》(见文后全文链接)。

【图文解读】

具有导电聚合物纳米尖端的微/纳米多孔膜的制备和原理:研究者通过电化学聚合将聚吡咯(PPy)和β-萘磺酸(NSA)纳米尖端接枝在钛网上,得到具有可逆电化学活性的膜。通过控制反应时间,可以得到纳米尖端高度由49 ± 6 nm 变化到 529 ± 77 nm的分离膜,同时分离膜的润湿性也得到一定程度的调节。

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图1.智能分离膜的制备与润湿性调节。

 

不同高度和化学状态下的润湿性:化学成分和表面粗糙度对材料的润湿性具有重要作用,研究者发现在空气中通过调节氧化还原电位可以实现从超疏水(137°)到超亲水(0°)的转变,当纳米尖端高度达到348 nm时,薄膜表现出超润湿性开关行为(接触角大于150°或小于30°),这一趋势与微尺度阵列表面一致。

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图2.不同高度和化学状态下膜的润湿性开关行为

 

不同高度和化学状态下膜的油水分离效率:膜润湿性的变化表明材料具有用于油水分离的能力。油/水混合物可以超快选择性地通过微/纳米分离膜(图3a、b)。多次循环的可逆分离效率高达97.3%。值得注意的是,膜的分离速度随着纳米尖端的高度而提高,纳米尖端高度为529 nm的氧化膜的水通量为50326 L·m-2·h-1,传送速率可以提高1.5倍。为了进一步研究分离过程的机理,改性膜的孔隙率与裸钛网几乎相同,因为聚合物刷处于纳米尺度内。聚合物刷改性后,薄膜的透气性会随着纳米尖端的高度而直接增加,最终与裸钛网的透气性基本相同。

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图3. 不同高度和化学状态下膜的分离效率。

 

膜亲疏水变化机理研究:由于在氧化还原过程中并未观察到物理结构的变化,研究者认为掺杂的NSA进入/流出纳米尖端的运动主导了润湿性的变化。在还原状态下掺杂粒子向聚合物链外移动,膜呈现亲油/疏水性;当掺杂粒子在氧化状态下进入聚合物链段,呈负电位,浸泡在水中,磺化酸基团趋向于溶于水,膜表现出亲水性/疏油性。因此通过调节氧化还原状态可以调控膜的亲疏水性。

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图4. 分离膜在不同化学状态下的亲疏水和机理探究。

 

【小结】

综上所述,研究者开发了一种实现润湿性可逆切换和超快的油水分离膜。利用纳米尖端的化学状态和物理结构来精确调节其润湿性。纳米尖端稳定的水膜环境有利于增强膜的渗透性,有助于进一步认识表面润湿性变化的内在机理,为设计一种刺激性的油水分离功能膜提供了新思路。

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00911

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