一种新型的均相两亲PTFE/β-FeOOH纳米纤维膜，用于乳液分离及恶劣环境下的光催化降解

《Advanced Membranes》：A Novel Homogeneous Amphipathic PTFE/β-FeOOH Nanofiber Membrane for Emulsion Separation and Photocatalytic Degradation in Harsh Environments

高效油水分离与光催化降解协同机制研究 PTFE/β-FeOOH纳米纤维膜通过电纺与原位矿化复合制备，具有超双亲表面（空气中超亲水、水下超疏油、油中超疏水）和光催化活性。膜体在0.2 bar低压下对油包水（O/W）和水包油（W/O）乳化液分离通量分别达2713和2108 L·m?2·h?1，分离效率>99.9%，且经10次酸/碱循环后仍保持>99%分离效率。β-FeOOH纳米 rod锚定于PTFE纤维表面，构建微纳分级粗糙结构，增强抗污染性，同时实现有机污染物（如MB、RhB）光催化降解率>98%。该膜材兼具高效分离与自清洁能力，适用于恶劣环境下的废水处理。

　　在当前工业和生活污水排放日益严重的背景下，如何高效地分离乳状液并同时降解有机污染物成为水处理领域的重要课题，特别是在面对恶劣环境条件时，如高酸碱度或高污染浓度。传统的方法往往存在操作成本高、分离效率有限、依赖压力驱动系统以及可能造成二次污染等问题，因此，开发具有高效分离与净化能力的新型膜材料成为研究的重点。本文介绍了一种创新的多用途膜材料——聚四氟乙烯（PTFE）/β-FeOOH（β-铁氧氢）纳米纤维膜，其通过静电纺丝结合原位矿物化技术成功制备，具备多重功能特性，能够在低压力条件下实现高效的乳状液分离，并具备自清洁与光催化降解能力。

该膜材料的显著优势在于其表面的超润湿特性，即在空气中表现出超强亲水性，在水下对油具有超强疏油性，而在油中则表现出超强疏水性，从而实现了表面润湿性的可调性。这种多功能特性使得该膜能够适应多种乳状液分离需求，无论其为油包水（W/O）还是水包油（O/W）体系。实验数据显示，在0.2 bar的低操作压力下，该膜对O/W乳状液的渗透通量可达2713.29 L·m?2·h?1，对W/O乳状液的渗透通量为2108.37 L·m?2·h?1，分离效率高达99.90%。这种高效的分离能力源于β-FeOOH纳米棒在膜表面和孔隙中的均匀分布，不仅提高了膜的表面粗糙度和亲水性，还提供了丰富的催化活性位点，实现了分离与降解的协同效应。

在化学稳定性方面，该膜材料表现出优异的耐久性。即使在pH值为1的强酸环境或30 wt.%的氢氧化钠（NaOH）溶液中，经过10次分离-再生循环后，膜仍能保持较高的渗透通量（分别为1948.47 L·m?2·h?1和2150.53 L·m?2·h?1），且分离效率仍分别保持在99.38%和99.62%。此外，膜在五次光芬顿降解循环后，对甲基蓝（MB）和罗丹明B（Rh B）的去除率仍高于98%，并且在光芬顿处理后，膜的通量恢复率达到97.88%。这些结果表明，该膜在恶劣环境下具有出色的化学稳定性、抗污染性能以及长期耐用性。

在表面润湿性调控方面，该膜通过其独特的表面结构和化学组成实现了显著的性能提升。实验数据表明，随着原位矿物化时间的增加，膜的水接触角（WCA）逐渐降低，从原始PTFE膜的137.8°降至接近0°，表明膜的亲水性得到了显著增强。同时，膜在水下对油的接触角（UWOCA）和在油中对水的接触角（UOWCA）分别达到154.8°和161.0°，表明其在水下表现出超强疏油性，在油中则表现出超强疏水性。这种可调的润湿性使得膜能够在不同条件下实现高效的乳状液分离，同时减少污染附着，提高膜的抗污染能力。

膜的表面结构通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术得到了详细分析。结果显示，β-FeOOH纳米棒在膜表面和孔隙中均匀分布，形成了一个层次分明的微/纳米结构。这种结构不仅增加了膜的表面粗糙度，还促进了水的快速渗透和污染物的高效降解。此外，β-FeOOH的引入提高了膜的表面能，使其能够更有效地与水分子相互作用，从而增强亲水性，同时通过其疏油性防止油滴附着于膜表面。

为了进一步验证膜的性能，研究团队对膜在不同环境条件下的表现进行了评估。结果表明，无论是在中性（pH=7）、强酸性（pH=1）还是强碱性（30 wt.% NaOH）条件下，该膜都能保持较高的分离通量和效率。特别是，在强酸性条件下，膜在10次循环后仍能保持99.38%的分离效率，而在强碱性条件下，分离效率达到99.62%。这种出色的化学稳定性表明，该膜在恶劣环境中具有广泛的应用前景。

在光芬顿催化性能方面，该膜表现出显著的活性。通过氙灯照射，膜能够快速降解有机污染物，如MB和Rh B，去除率分别达到99.99%和99.66%。这主要得益于β-FeOOH纳米棒的高催化活性和良好的光响应特性。在暗条件下，膜对MB和Rh B的去除率仅为17.00%和16.47%，而在光芬顿条件下，去除率显著提升，分别达到99.99%和99.66%。此外，通过电子顺磁共振（EPR）光谱分析，研究人员发现，膜在光照条件下能够有效生成羟基自由基（•OH），这是光芬顿反应中的关键活性物种。这种高效的光催化性能使得膜能够在处理复杂污染体系时，不仅实现高效的乳状液分离，还能对有机污染物进行彻底的降解。

膜的抗污染性能同样得到了验证。在连续的降解和分离测试中，该膜在五次降解循环后仍能保持超过98%的去除效率和超过99.30%的分离效率。此外，在十次循环后，膜的通量恢复率达到了97.88%，表明其具有良好的可再生性和抗污染能力。这种性能的提升归因于膜表面均匀分布的β-FeOOH纳米棒，它们不仅增强了膜的抗污染能力，还通过光芬顿反应有效去除了附着的污染物。实验还显示，膜的不可逆污染比例（Rir）仅为2.11%，而可逆污染比例（Rr）高达53.07%，说明大多数污染物仅是弱附着于膜表面，可以通过光芬顿处理轻松去除。

该研究提出了一种新颖的膜设计策略，即通过结合静电纺丝和原位矿物化技术，构建一个具有可调润湿性和高效催化性能的多用途膜材料。这种膜不仅在低压力条件下表现出优异的分离性能，还能在恶劣环境中保持长期的稳定性和耐用性。此外，膜的润湿性可以通过简单的预润湿过程进行调控，无需依赖外部化学或物理刺激，这大大提高了其在实际应用中的便利性和可行性。

在实际应用中，该膜材料有望广泛应用于复杂的乳状液分离和有机污染物处理场景，特别是在工业废水处理和海洋石油泄漏治理等领域。由于其出色的抗污染性能和可再生性，该膜可以显著延长使用寿命，降低维护成本。同时，其在光芬顿反应中的高效催化能力，使其能够实现对多种有机污染物的降解，提高处理效率和环境友好性。

总的来说，该研究成功开发了一种具有多重功能特性的PTFE/β-FeOOH纳米纤维膜，不仅解决了传统膜材料在恶劣环境下的性能瓶颈，还为高效乳状液分离和有机污染物净化提供了一种可行的解决方案。未来，随着该技术的进一步优化和规模化应用，有望在环境保护和水资源管理领域发挥更大的作用。