Janus结构木材膜的水热调控策略及其在油水乳液高效分离中的应用

为解决工业含油废水处理中膜分离技术存在的通量衰减、污染严重和选择性不足等问题，研究人员通过水热调控法构建了ZnO修饰的Janus木材膜(JW)。该膜通过精确控制ZnO纳米棒阵列的结晶形态和表面化学性质，实现了超亲水/水下超疏油与超疏水/水下超亲油的双面不对称润湿性，对O/W和W/O乳液分离效率均超99%，通量分别达487.2 L·m-2·h-1和741.6 L·m-2·h-1，且具备10次循环使用的稳定性，为生物基功能膜材料设计提供了新思路。

　　

随着工业化和城市化进程加速，含油废水排放已成为威胁水环境安全的全球性难题。其中，油包水(O/W)和水包油(W/O)乳液因液滴尺寸小(<20μm)、界面张力低、稳定性高，传统重力分离、气浮或吸附等方法难以有效处理。尽管膜分离技术展现出潜力，但常规膜材料面临通量骤降、严重污染等问题。如何开发兼具高效分离、抗污染和机械稳定性的新一代膜材料，成为环境工程领域的重大挑战。

江苏省研究生工作站项目(2021_119)支持的研究团队创新性地利用天然轻木作为基底材料，通过水热调控法构建了ZnO纳米棒修饰的Janus木材膜(JW)。这种生物基功能膜通过精确控制ZnO的结晶形态和表面化学性质，实现了前所未有的油水乳液分离性能，相关成果发表在《Journal of Membrane Science》上。

研究采用三步关键方法：首先通过真空浸渍在木材表面构建ZnO种子层，经SEM和EDS优化浸渍次数；随后采用水热法生长ZnO纳米棒阵列，系统考察前驱体浓度、反应时间和温度对形貌的影响；最后通过单侧UV照射诱导润湿性不对称，形成Janus结构。通过SEM、BET、FTIR、XRD和XPS等多维表征手段，建立了工艺-结构-性能的定量关系。

ZnO种子层优化
通过真空浸渍循环次数调控发现，5次浸渍可使Zn元素均匀分布且重量百分比达23.7%，为后续纳米棒生长奠定基础。相对重量增益分析显示，过度浸渍(7次)会导致ZnO团聚，反而降低有效负载。

水热生长参数调控
S2样品(0.05M Zn(NO₃)₂·6H₂O，75°C，6h)展现出最优的ZnO纳米棒排列：垂直取向的纳米棒长度约1.2μm，直径80-120nm，形成开放孔隙率达82.3%的层级结构。XRD证实其为高结晶度纤锌矿结构(002晶面择优取向)，XPS显示表面羟基含量达15.6at%。

润湿性与分离性能
经UV处理的JW膜呈现显著润湿性梯度：亲水面接触角0°(水下油角158.2°)，疏水面接触角152.3°(水下水角8.5°)。这种不对称性使其对O/W乳液分离效率达99.3%，通量487.2 L·m^-2·h^-1；对W/O乳液效率99.1%，通量741.6 L·m^-2·h^-1，远超传统聚合物膜。

机理分析
性能优势源于四重协同效应：(1)界面能梯度驱动定向传输；(2)木材原生毛细管(直径20-50μm)促进破乳；(3)ZnO纳米棒诱导液滴聚并；(4)层级孔径(0.1-10μm)实现尺寸筛分。循环测试显示通量恢复率>98%，SEM证实ZnO结构稳定性优异。

该研究不仅建立了水热参数-ZnO形貌-分离性能的定量关系，更开创了天然材料衍生Janus膜的设计范式。相较于合成材料，轻木基膜展现出显著的成本优势和可持续性，其千克级制备成本仅为商用PVDF膜的1/5。研究揭示的"界面能梯度-毛细力协同"机制，为开发新一代生物基分离材料提供了理论支撑，在化工废水处理、海洋溢油回收等领域具有广阔应用前景。Zhang Haiyang团队的工作，标志着天然材料高值化利用向精准调控和功能集成迈出了关键一步。