雙膜留出一道縫 油水分離功率高

  石油、冶金、食物、制藥等工業生產過程會產生很多的含油廢水。其间，添加乳化劑的油水乳液，是一種相對穩定的油水混合物，在后續處理時尤為扎手，直接排放既污染環境又浪費資源。

  怎么高效、同步收回穩定乳液中的油和水？浙江大學聚合物分離膜及其表界面工程課題組研讨發現，讓油水乳液從親水膜和疏水膜构成的狹縫中通過，即可同步分離油和水。

  在此基礎上，該課題組開發出狹縫為4毫米的分離系統，實現油水收回功率分別達97%和75%。相關研讨論文近期發表於國際學術期刊《科學》。

  油水乳液，首要分為水包油和油包水兩種類型。迄今為止，較為老练的油水乳液分離技術包含化學絮凝、電聚結與離心分離等。此外，許多研讨也聚集於開發各種各樣的分離膜资料及膜分離技術。

  該課題組成員、浙江大學百人計劃研讨員楊皓程告訴記者，現有分離办法一般隻能分離出乳液中的部分油相或部分水相，剩下廢液仍需進一步處理或被直接排放。

  浙江大學聚合物分離膜及其表界面工程課題組由浙江大學教授徐志康創立，二十多年來，通過分離膜表面工程技術，研發了一系列超親水的分離膜资料，可從水包油乳液中選擇性地分離水相。

  2020年，該課題組研發出一種表面性質迥異、一面親水一面疏水的非對稱多孔膜，能夠實現水包油乳液中涣散油滴的捕獲與分離。徐志康介紹，團隊以往的研讨隻能實現有水乳液中單一組分的分離。隨著實踐經驗積累和研讨的深化，團隊成員提出，是不是可以嘗試用一張親水膜和一張疏水膜一起組成雙向水油分離系統，實現水、油同步分離？

  通過很多實驗，該課題組發現，在親水膜和疏水膜所一起組成的狹縫空間平分離水包油乳液時，當狹縫寬度較大，親水膜和疏水膜之間互不干涉，分離功率低。當狹縫寬度從100毫米以上逐渐縮至4毫米時，分離效果發生了質變：疏水側的油收回率從5%大幅度的进步至97%，親水側的水收回率也從19%进步至75%。

  “基於親水膜、疏水膜組成的限域空間狹縫實現水油雙向同步分離，對於膜科學領域而言，是分離概念和器材的重大突破與創新。”徐志康說。

  雖然运用兩張膜留出的縫隙就能達到油水分離的效果，但其背面的原理仍待探尋。該課題組剖析了狹縫分離油水的效果機理。他們發現，隨著親水膜和疏水膜間距不斷縮小，狹縫的“擠壓”效果對乳滴的破乳、分離發揮了關鍵效果。

  “以分離水包油乳液為例，油滴在乳液中就像一個個小球似的涣散在水裡，在乳化劑的包裹下构成乳滴。”楊皓程解釋說，乳滴越小，越穩定，越難分離。乳液通過兩張膜的縫隙時，水在親水膜一側被導出，乳滴的部分濃度敏捷添加﹔同時，縫隙由寬變窄，會進一步提高其间油滴的磕碰概率。在磕碰過程中，小乳滴會逐漸聚並，成為滴，從而更简单被疏水膜捕獲。被捕獲之后，滴會决裂，其间的油被導到疏水膜外側，完成分離。

  在親水膜與疏水膜的協同效果下，乳液的“濃縮—聚並—破乳—分離”過程得到顯著強化，构成一種積極的“正向反饋機制”。

  該課題組還分別構建了僅具有單側親水膜或單側疏水膜的狹縫，發現盡管狹縫的“擠壓”能夠增強單一親水膜或疏水膜的分離功率，但其油水收回率仍顯著低於同時存在親水膜與疏水膜的狹縫。

  “4毫米其實是现在器材加工的極限，不是這個雙膜結構的極限。”楊皓程告訴記者，狹縫的寬度會影響器材进口的力學強度，也會導致內部阻力的變化。他介紹，從理論上來講，在乳液能通過的前提下，狹縫尺度越小越好。

  現階段，課題組已經突破了更狹窄通道的結構設計瓶頸，比较4毫米的狹縫，油水分離份额附近且速度更快。

  該課題組開發雙膜分離系統开始是為解決化工產業中含油廢水的處理問題。但是這項技術油的應用場景遠不止於此，它在食物加工等行業也極具應用潛力。

  “比方食物或藥品生產過程中高值油性產品的提煉，也十分需求這項技術。”徐志康說，論文發表后，已有幾家企業來與課題組對接沟通。现在，該課題組已准備基於這一雙膜結構，開展效果轉化：一是開發出可應用的大型器材，與現有分離器組件結合﹔二是對接應用場景，找到適合的產業項目。

  實驗証明，這個雙膜分離系統能夠廣泛應用於不同類型的水包油和油包水乳液體系。

  “該技術运用的膜资料也比較簡單，產業化远景可觀。其间用到的親水膜，是課題組2014年研發出來的。”楊皓程說，依照4毫米狹縫的設計，課題組還開發了一套多級分離器材原型機，預計下一年，他們就可以實現這一技術與現有膜組件的結合，有望用於實際的工業場景。（洪恆飛 查蒙 記者 江耘）

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