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膜技术前沿丨南京工业大学李卫星教授团队Water Research：向“猪笼草”取经，科学家打造防污“智能膜”，轻松破解油水分离难题

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近日，南京工业大学李卫星课题组在Water Research上发表了题为“Nepenthes bioinspired superhydrophilic nanofiber membrane with micro/nano structure via microfluidic electrospinning”的研究论文，受猪笼草内壁微纳粗糙结构的启发，通过结合微流控静电纺丝技术与传统浸泡法，成功制备了一种具有微/纳复合结构和稳定亲水层的超亲水纳米纤维膜。该膜通过微流控静电纺丝构建“骨架”，直接引入亲水纳米SiO₂构建微纳粗糙结构，并利用茶多酚（TP）形成稳定的化学水合层，实现了物理结构与化学亲水性的协同抗污。改性膜在分离大豆油水乳液时展现出25,462 L·m^-2·h^-1·bar^-1的高渗透率和99.9%的油排斥率，300分钟后通量回收率达95.06%。这项技术的潜力巨大，未来有望在含油废水处理、乳液分离、生物医学工程、能源等多个领域发挥重要作用。

第一作者：邵晨轩

通讯作者：李卫星教授

通讯单位：南京工业大学

图文简介

随着工业化发展，含油废水排放激增，严重威胁生态平衡。传统的油水分离技术已难以满足需求，而膜分离技术因其**、节能和环境友好的特点，在处理油水乳液方面展现出巨大潜力。然而，膜污染问题，即油滴在膜表面的吸附、聚集和迁移，导致水通量急剧下降，严重制约了膜技术的长期稳定运行。为了解决膜污染问题，研究者聚焦于开发超亲水和水下超疏油的膜材料。主要策略包括表面亲水改性和掺入纳米粒子。传统的表面亲水化改性虽能缓解污染，但常面临功能涂层附着力弱、易脱落的问题。因此，开发一种兼具**抗污能力和稳定性的膜材料成为研究热点。

1.机理分析

通过分子动力学模拟和密度泛函理论计算，本研究从分子层面揭示了微/纳结构膜的抗污染机理。首先，密度泛函理论计算表明，亲水纳米SiO₂与茶多酚的主要成分儿茶素之间存在*强的结合能（-1048.79 kJ/mol），这源于两者间形成的高密度氢键网络；同时儿茶素的HOMO-LUMO能隙为3.231 eV，表明其具有较强的分子反应活性。值得注意的是，茶多酚在PVDF/ SiO₂体系中的吸附能显著高于纯PVDF体系，证明纳米SiO₂的引入提供了更多的吸附位点，增强了亲水涂层的界面结合强度。最终，在油水乳液分离模拟中，改性膜的水吸附能较原始膜提升65%（从-277.2 kcal/mol增至-458.9 kcal/mol），而水分子的扩散系数显著降低，证实膜表面形成了稳固的水合层，能够有效阻隔油分子向膜表面迁移，从而实现长效抗污染性能。

2.微观形貌

SEM图像显示，改性后的膜纤维表面分布着由SiO2纳米颗粒构成的凸起结构，形成了微/纳粗糙结构形貌。EDX元素分布图表明Si、O、N元素在膜表面均匀分布，证实了SiO₂和TP的成功引入。AFM测试结果显示，原始PVDF膜的粗糙度为34.4 nm，而改性后（PVDF/ SiO2-10-TP）的粗糙度显著增加至89.7 nm，增幅高达160.8%，直接验证了微纳结构的成功构建。

3.化学组成

FTIR-ATR光谱显示，改性后在~3400 cm^-1（-OH）、1600 cm^-1（C=C）、1650 cm^-1（-COOH）等处出现新的特征峰，证明了TP的成功负载和氧化。XPS的C 1s谱图分峰后出现了C=O键，N 1s谱图显示-NH-的存在，进一步证实了TP的成功修饰及其参与氢键相互作用。

4.抗油污测试

原始PVDF膜的初始水接触角为128°，而PVDF/SiO₂-10-TP膜的初始接触角仅为14.6°，且水滴在1秒内完全铺展，展现了超快速润湿特性。水下油接触角和动态油粘附测试表明，原始PVDF膜对油滴有很强的粘附性，而改性后的膜则表现出优异的超疏油性和*低的油粘附力，油滴在膜表面可以被轻易移走而不留痕迹。

5.分离性能

该改性膜的分离性能表现优异，相较原始 PVDF 膜大幅提升，该膜对石油醚、十二烷、十六烷等多种水包油乳液均有良好分离效果。在0.1 bar压力下分离水包大豆油乳液时，通量达 2546 L·m^-2·h^-1，油截留率高达 99.9%，300分钟后通量恢复率仍保持95.06%。分离后乳液滤液中油滴粒径＜200 nm，且无肉眼可见油滴，对比原始PVDF膜与 PVDF/SiO₂-10膜，PVDF/SiO₂-10-TP膜在纯水通量、污染阻力、通量恢复率等方面均实现**提升，综合分离性能优于已报道的同类膜材料。

结论

受猪笼草内壁微/纳米结构凸起的启发，本研究采用微流控静电纺丝技术，通过亲水基团与二氧化硅纳米粒子复合修饰，制备出超亲水性纳米纤维膜。与原始PVDF膜相比PVDF/SiO₂-10-TP 膜的表面粗糙度提高了160.8%。在分离水包大豆油乳液过程中，该膜表现出高达25462 L·m^-2·h^-1·bar^-1的渗透通量，以及99.9%的油截留率；连续测试300分钟后，通量恢复率（FRR）仍保持在95.06%。本研究提出的策略不仅为膜改性提供了一种创新方法，还赋予膜功能多样性与更广阔的应用场景潜力。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/XSC7yeF2cKJJ1X4jy-ncHA