原位加热与润湿性梯度的协同作用实现了水包油乳液的高效分离

《Water Research》：Synergy of In-Situ Heating and Wettability Gradient Enables Highly Efficient Separation of Oil-in-Water Emulsions

油水分离效率提升策略及协同机制研究。通过构建超亲水-水下超疏油不锈钢网（UWSOB-OL@SSM）并引入碳纳米管电热层和疏油微凸起，实现乳化液界面膜快速 destabilization。电热效应使表面温度达300°C，协同亲疏水梯度显著增强油滴合并与上浮，分离效率达99%，较传统方法提升27.2%。揭示了温度梯度与界面亲疏水性协同作用机制，为高粘度原油等难处理乳化废水提供新解决方案。

　　在工业生产和日常生活中，油污废水常常含有大量的表面活性剂，这些物质能够显著降低油水界面的张力，并在界面处排列形成稳定的界面膜。这种稳定的界面膜使得油水乳化体系难以分离，给废水处理带来了重大挑战。为了解决这一问题，科学家们不断探索新的材料和方法，以提高油水分离的效率。最近，研究人员开发了一种具有超亲水性和水下超疏油性的不锈钢网膜材料，称为UWSOB-OL@SSM。这种材料通过分步修饰碳纳米管电热层、树脂绝缘层、超亲水涂层以及疏水突起，实现了对油水乳化体系的高效分离。

UWSOB-OL@SSM材料的结构设计巧妙，使其具备宏观的超亲水性和水下超疏油性。在微观尺度上，该材料表面的疏水突起与超亲水涂层之间形成了梯度润湿性，这种结构在油水分离过程中起到了关键作用。当油水乳化体系接触到该材料时，疏水突起会排斥油滴，而超亲水涂层则促进水的渗透，从而形成一个有效的分离界面。此外，该材料还具备出色的原位电热性能，可以在短时间内达到较高的表面温度。例如，在2.0 V电压下，仅需10秒即可使表面温度升至300°C。这种高温性能对于破坏油水乳化体系的界面膜至关重要，因为高温能够显著降低油的粘度，促进油滴的聚结和分离。

在油水分离过程中，界面膜的破坏是实现高效分离的关键。UWSOB-OL@SSM通过其独特的润湿性梯度和原位加热机制，能够迅速破坏油水乳化体系的界面膜。这种破坏不仅有助于油滴的聚结，还能增强油滴的浮力，使其更容易从膜表面脱离。实验结果表明，UWSOB-OL@SSM对各种油水乳化体系，包括高粘度的原油和机油，都表现出优异的分离性能。其分离效率达到了99.0%，显著高于传统超亲水/水下超疏油不锈钢网膜的71.8%。这表明，通过引入疏水突起和原位加热机制，可以大幅提高油水分离的效率和效果。

此外，研究还揭示了润湿性梯度和原位加热协同作用的机制。在观察油滴的动态聚结过程时，研究人员发现，润湿性梯度和加热的结合能够更有效地促进油滴的聚结和分离。润湿性梯度使得油滴在膜表面形成局部的聚集区域，而原位加热则通过降低油的粘度和增强油滴的浮力，进一步推动油滴的分离。这种协同作用不仅提高了分离效率，还增强了膜材料的抗污染能力。在实际应用中，膜表面容易被油滴堵塞，从而降低分离效率。然而，UWSOB-OL@SSM的结构设计能够有效防止油滴的堆积，保持膜表面的通畅性。

为了验证这一假设，研究人员对不锈钢网进行了分步修饰。首先，在不锈钢网表面涂覆了一层碳纳米管电热层，这层材料能够提供原位加热功能。随后，涂覆了一层硅树脂改性丙烯酸树脂绝缘层，以防止电热层与后续涂层之间的直接接触，从而提高材料的稳定性和安全性。接着，通过引入超亲水涂层，使不锈钢网表面具备良好的亲水性，促进水的渗透。最后，在膜表面固定疏水硅微粒，形成疏水突起，进一步增强膜的水下超疏油性能。这种分步修饰的方法不仅提高了膜的性能，还确保了其在实际应用中的可靠性和稳定性。

实验结果显示，UWSOB-OL@SSM在电热辅助下对油水乳化体系的分离效率显著提高。电热功能不仅能够迅速升高膜表面的温度，还能在膜表面形成垂直的温度梯度，这有助于油滴的快速聚结和分离。同时，由于油滴的粘度降低，它们更容易变形并聚结，从而提高了分离的效率。此外，膜表面的温度升高也增强了油滴的浮力，使其更容易脱离膜表面，进一步提高了分离效果。

从材料科学的角度来看，UWSOB-OL@SSM的结构设计具有重要的创新意义。传统的油水分离材料往往依赖于物理筛分机制，这种方法在处理高粘度的油水乳化体系时效果有限。而UWSOB-OL@SSM通过引入润湿性梯度和原位加热，实现了对油水乳化体系的深度破坏，从而提高了分离效率。这种材料的开发不仅为油水分离提供了新的思路，也为处理高粘度、高乳化性的工业油废水提供了有效的解决方案。

在实际应用中，油水分离技术对于环境保护和资源回收具有重要意义。特别是在工业生产过程中，大量的油污废水需要经过处理才能排放或再利用。传统的处理方法往往存在能耗高、效率低和二次污染等问题，而UWSOB-OL@SSM通过其独特的结构和功能设计，能够有效克服这些限制。其高分离效率和低能耗特性，使其在工业废水处理领域具有广阔的应用前景。

此外，该研究还探讨了温度对油水乳化体系稳定性的影响。温度是影响油水乳化体系稳定性的关键因素之一。当温度超过非离子型表面活性剂的浊点时，其在水中的溶解度会显著降低，从而改变油水界面处的表面活性剂分布。这种分布的变化会导致油水乳化体系的相行为发生转变，使得表面活性剂从界面膜迁移至水相或油相，从而破坏分子的有序排列，削弱界面膜的强度。因此，温度的升高有助于油水乳化体系的分离，特别是在处理高粘度的油水乳化体系时，这种效应尤为明显。

然而，传统的整体加热方法在处理油水乳化体系时往往效率低下且能耗较高。为了解决这一问题，研究人员提出了一种将热场直接集成到分离膜上的方法，即原位热膜技术。这种方法能够在膜表面产生局部的高温，从而有效破坏油水乳化体系的界面膜，提高分离效率。目前，研究主要集中在利用原位热效应降低油的粘度，从而去除高粘度浮油或提高油的纯度。然而，对于更复杂的油水乳化体系，特别是高粘度、高乳化的工业油废水，研究仍需进一步深入。

UWSOB-OL@SSM的开发正是基于这一思路。通过将电热功能与润湿性梯度相结合，该材料能够在油水乳化体系接触时迅速升温，破坏界面膜，促进油滴的聚结和分离。这种设计不仅提高了分离效率，还降低了能耗，为高效、环保的油水分离提供了新的技术路径。同时，该材料的结构设计也考虑到了抗污染能力，使其在实际应用中更加稳定和可靠。

综上所述，UWSOB-OL@SSM的结构设计和功能特性使其在处理高粘度、高乳化的油水乳化体系方面表现出色。其独特的润湿性梯度和原位加热机制，不仅提高了分离效率，还增强了抗污染能力。这一研究为油水分离技术的发展提供了新的思路和方法，具有重要的理论和应用价值。未来，随着材料科学和工程技术的不断进步，类似的设计可能会被进一步优化，以适应更多复杂环境下的油水分离需求。