高分子分离膜材料

随着我国经济的快速发展，大量的含油污水被排放，同时海洋原油泄漏事件频发，对生态环境和人类的健康造成了严重威胁。传统油水分离方法主要包括气浮法、离心分离法、吸附和燃烧等，但均存在效率低、成本高、应用范围窄等缺点。超浸润分离膜由于具有结构可控性好、分离效率高和分离精度高的优点，目前成为油水分离领域的研究热点。近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员刘富团队（先进功能膜）在高性能聚偏氟乙烯（PVDF）油水分离膜方向取得了一系列新成果。

1）PVDF瞬时催化及油水分离膜。针对复杂体系的油水分离问题，以机械性能和热稳定性能优异的聚偏氟乙烯（PVDF）为基膜，制备得到具有微纳米多级组装结构的PVDF-AuNPs微反应器分离膜。首先利用聚多巴胺作为膜表面“功能涂层”，对PVDF基膜进行初步修饰，然后将AuNPs微球通过动态过滤的方法负载到PVDF的指状孔内，形成微反应器。所得膜能够对含有硝基苯酚的水包油复杂体系，实现瞬时的硝基苯酚催化降解和油水分离。该方法对于将油水分离膜应用于实际含油废水处理，起到了重要的推动作用。相关工作已经发表于Chemical Engineering Journal, 2018, 334,579，副研究员王建强和吴紫阳为共同第一作者，刘富为通讯作者。

2）具有超稳定刚性浸润表面的柔性PVDF油水分离膜。针对通常聚合物微孔膜的表面微纳结构不稳定、在化学腐蚀及物理损伤下易蠕变及衰减的问题，通过仿生植物根系固定土壤模型，利用微孔PVDF膜表面的微纳结构限域固定TiO2纳米粒子，制备了具有刚性界面TiO2界面的柔性PVDF微孔膜。所得膜具有优异的稳定性，能够抵抗极端物理损伤（液压、手指擦拭、液氮淬火后砂纸磨擦）、高温和苛刻的化学腐蚀（强酸、强碱、强氧化剂次氯酸钠），并且能够连续有效分离含有表面活性剂的油包水乳液。在错流模式下，通过负载超亲水纳米TiO2粒子制备的PVDF膜，可实现水包油乳液的连续分离（通量达1700 ，分离效率>96%）（如图3）。 相关工作已经发表于Scientific Reports, 2017, 7: 14099，副研究员熊竹和林海波为共同第一作者，刘富为通讯作者，文章发表后受到了同行的广泛关注，该论文是2017年Scientific Reports期刊阅读量最多的前100篇文章之一。

3）超大通量静电纺丝PVDF油水分离膜。除了油水废液的复杂性和膜界面稳定性的制约，油水分离膜往往也受限于膜的低通量和易污染性。针对该问题，团队采用静电纺丝技术，通过将静电纺丝和静电喷涂相结合，制备得到了具有超高通量的PVDF纳米纤维油水分离膜，具有独特的微米级纤维及纳米级微球复合的结构。将该膜应用于高粘度的十甲基环五硅氧烷包水体系时，渗透系数高达88166±652 （分离效率>99%），远高于已报道数据。该方法制备过程简单，无需复杂的表面改性过程，是一种适宜工业化生产的新方法。相关工作已经发表于Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 7014-7020。浙江理工大学博士吴金丹和硕士生丁雅杰是论文的共同第一作者，王建强、浙江理工大学教授王际平和刘富为该工作的共同通讯作者。

上述系列研究工作受到了国家重点研发计划（2017YFB0309600）、国家自然科学基金（5161101025、51475449、51703233）、中科院青促会（2014258）和宁波市创新团队（2014B81004）等项目的资助支持。

图1 PVDF指状催化反应器的制备过程

图2 PVDF膜油水分离及催化性能

图3 超浸润刚性界面PVDF膜的制备过程

图4 刚性界面PVDF膜油水分离性能

图5 超高通量PVDF纳米纤维油水分离膜的制备过程

图6 纳米纤维PVDF膜油水分离性能

来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所