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08

2024

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浙江大學(xué)徐志康團(tuán)隊(duì)成果，登上Science！

作者：

　　現(xiàn)有的分離技術(shù)難以同時(shí)從表面活性劑穩(wěn)定的乳液中回收油和水，以實(shí)現(xiàn)接近零液體排放的目標(biāo)。

　　鑒于此，浙江大學(xué)徐志康教授、張超教授以及楊皓程教授提出了一種膜 Janus 通道 (JCM)，其特點(diǎn)是由一對(duì)親水膜和疏水膜構(gòu)成的密閉結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)高效地從表面活性劑穩(wěn)定的乳液中回收油和水。密閉的 Janus 通道可以通過(guò)涉及富集和破乳的反饋回路放大膜對(duì)的相互作用。JCM 實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 97% 和 75% 的出色油和水回收率，純度接近 99.9%。此外，它在處理各種乳液方面的多功能性可以使一系列分離的液體排放接近零。相關(guān)研究成果以題為“Janus channel of membranes enables concurrent oil and water recovery from emulsions”上。

　　

　　【JCM設(shè)計(jì)】

　　圖1所示的Janus通道膜(JCM)裝置提供了一種新穎的設(shè)計(jì)，它結(jié)合了親水膜和疏水膜，以提高從表面活性劑穩(wěn)定乳液中回收油和水的效率。這種密閉結(jié)構(gòu)，膜之間的距離減小到只有幾毫米，有利于乳液的聚結(jié)，從而提高分離效率。JCM通過(guò)將乳液輸送到由這兩種不同類(lèi)型的膜創(chuàng)建的通道中來(lái)運(yùn)行。親水膜旨在允許水滲透，而疏水膜則選擇性地吸引和引導(dǎo)油。這種配置對(duì)于提高分離的油和水的回收率和純度特別有效。

　　

　　圖 1. JCM設(shè)計(jì)

　　關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素表明(圖2)，縮小JCM的通道寬度會(huì)加劇乳液的局部富集，從而提高液滴之間的碰撞率。這種更高的碰撞率對(duì)于聚結(jié)至關(guān)重要，可進(jìn)一步幫助分離過(guò)程。有限的通道寬度不僅促進(jìn)富集，而且影響JCM內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)。模擬結(jié)果如圖2D所示，表明較窄的通道通過(guò)聚焦乳液流來(lái)提高液滴碰撞的可能性。相比之下，更寬的通道允許更混亂的流動(dòng)模式，從而降低液滴密度和碰撞頻率。例如，將通道從125毫米縮小到4毫米可顯著提高油回收率從5%提高到97%，水回收率從19%提高到75%，證明了密閉通道對(duì)分離性能的影響。

　　圖 2. JCM寬度的影響與背后的機(jī)理

　　【膜對(duì)的作用】

　　作者探討了JCM中親水膜和疏水膜的互補(bǔ)作用(圖3)，并將它們與兩種替代配置進(jìn)行了比較：?jiǎn)蝹?cè)疏水通道(UBC)和單側(cè)親水通道(UIC)。在JCM配置中，乳液經(jīng)歷三個(gè)主要階段：水滲透、乳液液滴碰撞和聚結(jié)以及破乳。水迅速滲透親水膜，形成乳液液滴濃度，這些液滴在疏水膜側(cè)碰撞和聚結(jié)，從而促進(jìn)有效的油捕獲。相比之下，UBC和UIC配置將采收限制為油或水，具體取決于所使用的單一膜類(lèi)型。疏水通道(UBC)主要針對(duì)采油，但難以滲透水，而親水通道(UIC)專注于水，但不能有效管理采油。相比之下，JCM配置即使在處理具有挑戰(zhàn)性的乳化液時(shí)也能實(shí)現(xiàn)較高的油和水回收率。這種效率歸功于兩種膜的協(xié)同作用，這增強(qiáng)了系統(tǒng)處理高濃度表面活性劑穩(wěn)定乳化液的能力，這一性能反映在不同表面活性劑濃度下的回收率穩(wěn)定性上。

　　

　　圖 3. JCM，UBC以及UIC的比較

　　【JCM 內(nèi)的反饋回路】

　　JCM的一個(gè)關(guān)鍵特性是其反饋回路(如圖4所示)，該回路允許連續(xù)運(yùn)行而不會(huì)顯著降低分離效率。傳統(tǒng)膜系統(tǒng)由于某一相的積累而面臨濃度極化，這會(huì)阻礙連續(xù)回收。然而，在JCM中，水滲透和油去除之間的相互作用產(chǎn)生了一種平衡，從而減少了極化效應(yīng)。當(dāng)水滲透過(guò)親水膜時(shí)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)油滴的富集和聚結(jié)，隨后被疏水膜去除。這種自我調(diào)節(jié)循環(huán)可保持一致的油水回收率。反饋回路還使JCM能夠自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的油含量，最初增加，然后在分離穩(wěn)定后減少。這種調(diào)節(jié)在通道內(nèi)油含量和液滴大小的動(dòng)態(tài)變化中顯而易見(jiàn)。圖4C中的熒光監(jiān)測(cè)直觀地捕捉到了JCM中快速的乳化分解和油去除，而UBC和UIC系統(tǒng)中則沒(méi)有這種情況。隨著時(shí)間的推移，平均液滴尺寸首先增加，表明液滴聚結(jié)，然后隨著JCM系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定而減小，從而確保較高的分離效率。

　　圖 4. JCM的反饋環(huán)

　　【適用性評(píng)估】

　　圖5分析了JCM在處理不同類(lèi)型的油和表面活性劑方面的多功能性。其設(shè)計(jì)適用于油包水和水包油乳液，使其適用于各種工業(yè)應(yīng)用。兩個(gè)階段的回收率取決于油的粘度，因?yàn)檩^高的粘度會(huì)導(dǎo)致膜孔堵塞，特別是在親水膜中，從而影響水的滲透性。表面活性劑的表面電荷也會(huì)影響JCM的性能。陰離子表面活性劑(如十二烷基硫酸鈉(SDS))通過(guò)最大限度地減少親水膜上的粘附來(lái)提高水的回收率，而陽(yáng)離子表面活性劑會(huì)因污垢增加而降低回收率。但是，通過(guò)選擇合適的膜類(lèi)型，JCM可對(duì)各種乳液保持高效率。值得注意的是，它還可以分離油含量高的乳液(體積含量高達(dá)40%)，這對(duì)于傳統(tǒng)的單膜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。這種適應(yīng)性凸顯了JCM在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用和零液體排放系統(tǒng)方面的潛力。

 

圖 5. JCM的應(yīng)用評(píng)估

　　【總結(jié)】

　　JCM提供了一種變革性的解決方案，可從復(fù)雜的表面活性劑穩(wěn)定乳液中同時(shí)回收油和水。通過(guò)利用密閉通道內(nèi)親水膜和疏水膜的獨(dú)特作用，JCM可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段的高回收率和純度。其集成的反饋回路進(jìn)一步提高了操作穩(wěn)定性，確保持續(xù)回收，并將因濃度極化導(dǎo)致的性能下降降至最低。這種膜技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)零液體排放工藝，并提供了一種管理含油廢水的可持續(xù)方法。JCM的模塊化設(shè)計(jì)還表明其可擴(kuò)展性可用于更大規(guī)模的操作，可能會(huì)徹底改變生產(chǎn)含油廢水的行業(yè)的乳液分離。