随着工业含油废水的排放和溢油事故的频繁发生，油水混合物的分离越来越受到社会的广泛关注。传统的分离技术对非乳化的油水混合物有较好的分离效果，而对油水乳液则效果不佳。以往报道的超浸润滤膜材料利用对水和油截然相反的浸润性能和滤膜孔径小于乳液粒径的筛分效应来实现对水包油乳液的成功分离。然而该类膜材料在处理油水乳液时，由于通量低、膜表面易污染等问题严重制约膜分离潜力的发挥。因此，对油水乳液、尤其是表面活性剂稳定的水包油乳液进行高效、高通量的分离依然是不小的挑战。

近期，西北师范大学李健教授团队受沙漠甲虫“空气中集水”性能的启发，构建了一种与沙漠甲虫结构相似但浸润性能相反的功能膜，该膜由凸起的疏水/亲油颗粒和底层水下超疏油材料组成，并且将其命名为“反沙漠甲虫性能膜”。该膜在分离水包油乳液的时候，凸起的疏水/亲油颗粒能够实现“水中集油”，因此能够更加高效地破乳，而下层的水下超疏油材料对乳液起到筛分作用，进而成功实现表面活性剂稳定的水包油乳液的高效和高通量分离。不同于传统通过缩小膜孔径来提高分离效率的办法，该工作提出了全新的策略，在提高油水乳液分离效率的同时增大了分离过程中的通量。

【图文导读】

图1 反沙漠甲虫ZIF-8/PAN膜的制备及应用示意图

作者通过静电纺丝及旋涂技术制备了由疏水/亲油 (oleophilic, OL) 的ZIF-8颗粒凸点和底层的水下超疏油 (underwater superhy drophobic, UWSOB) 聚丙烯腈(PAN)组成的反沙漠甲虫性能的油水分离膜，如图1所示。在底层水下超疏油PAN膜可以通过"尺寸筛分"效应破乳的基础上，该反沙漠甲虫功能膜凸起的疏水/亲油ZIF-8颗粒可以捕集高度乳化的小油滴。由于两者的协同作用，该膜能够保证水透过的同时高效拦截和捕捉乳化油滴，因此能够实现对表面活性剂稳定的水包油乳液的高效分离。

图2 反沙漠甲虫ZIF-8/PAN膜的结构与形貌分析

静电纺丝PAN膜具有光滑的纳米线和高孔隙率，是理想的水下超疏油膜材料。经旋涂处理后，ZIF-8在亚层纤维上形成凸起，呈现出与沙漠甲虫背部相似的凹凸结构，如图2所示。这种甲虫背部凹凸结构增加了粗糙度，在水下对油滴提供了一种不平衡的力，驱使油滴由低表面能量的水下超疏油底层向高表面能量方向的凸点运动，使得油滴易于被疏水/亲油ZIF-8颗粒捕获。

图3 水包油乳液在PAN和ZIF-8/PAN膜的分离性能比较

图3比较了PAN和ZIF-8/PAN膜对表面活性剂稳定的水包油乳液的分离性能。经PAN膜分离的滤液呈粉红色表明仍有油滴存在(油滴被油红染成红色)，对于多种水包油乳液，油含量均高于100 ppm。经过ZIF-8/PAN膜的分离，滤液颜色变为透明，粒径分析没有油滴存在，油含量均低于30 ppm且分离效率高达99.92 %，远优于传统无疏水/亲油凸点结构的单一水下超疏油膜。此外，传统水下超疏油膜的分离通量还会由于膜污染和堵塞等问题而不断下降，而ZIF-8/PAN膜由于凸起的亲油颗粒，通量从单一PAN膜的1358 L m

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提高到2514 L m

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。因此，这一策略可以解决油水分离领域效率和通量不能兼得的问题。

图4 水包油乳液在PAN与ZIF-8/PAN膜上的分离过程比较以及反沙漠甲虫ZIF-8/PAN膜的集油机理

作者对PAN与ZIF-8/PAN膜对水包油乳液的分离过程进行了比较。传统水下超疏油PAN膜在2 min内无明显的浮油，大量油污沉积在PAN膜上，堵塞了膜的表面孔隙，降低了膜的有效过滤面积。然而被ZIF-8/PAN膜分离后，可以清晰地看到浮油层，并且膜表面几乎没有被污染 (图4a，b)。该具有明显差异性的对比结果，表明疏水/亲油ZIF-8颗粒的存在有助于水包油乳液的破乳和油滴的聚集（图4c，d）。针对水下集油过程，作者对ZIF-8/PAN膜的集油机理进行了分析并提出了“捕获-聚集-分离”三步模型。微小的油滴可以被捕获、聚集，随后形成较大的液滴，直至从表面脱离上浮，这种捕油行为与沙漠甲虫背部的捕水行为非常相似。在凸点ZIF-8颗粒水中集油和底层PAN膜的筛分效应的协同作用下，该反沙漠甲虫性能的ZIF-8/PAN膜实现了对水包油乳液的高效破乳和分离。

【结论】

作者利用静电纺丝和旋涂技术，构建了一种反沙漠甲虫性能的ZIF-8/PAN复合亲疏水相间的功能膜来实现对水包油乳液的高效和高通量分离。研究表明，与传统单一水下超疏油膜相比，该反沙漠甲虫性能油水分离膜在提高油水分离效率的同时增大了分离过程中的通量，解决了油水分离膜领域效率和通量不能兼得的问题。该研究不仅报道了一种在油水分离领域极具潜力的高效分离膜，还为设计新型的膜材料提供了了思路。

相关研究成果以“Inverse Desert Beetle-Like ZIF-8/PAN CompositeNanofibrous Membrane for Highly Efficient Separation of Oil-in-Water Emulsions”为题发表于《Journal of Materials Chemistry A》期刊上。西北师范大学化学化工学院硕士生李昊昱为该论文第一作者，西北师范大学化学化工学院李健教授为通讯作者。