可调控油水分离性能的工程化纤维素膜：基于溶胶-凝胶浸涂法的表面修饰机制与性能优化

针对工业油污及含油废水处理难题，研究人员通过溶胶-凝胶浸涂法（sol-gel dip-coating）对纤维素膜（CMs）进行表面修饰，分别采用十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）和辛基三乙氧基硅烷（OTES）增强疏水性。研究发现OTES修饰膜（MCMs-OTES）虽接触角（WCA）较低，但凭借硅纳米颗粒的独特分布实现更高分离通量（14088.7 L m?2 h?1）和效率（96.1%），颠覆了传统表面润湿性决定性能的认知，为环保膜材料设计提供新思路。

　　

论文解读

工业油污和含油废水对生态系统的破坏已成为全球性环境挑战。尽管现有技术如气浮法（air flotation）和吸附法（adsorption）能部分解决问题，但普遍存在效率低、成本高或二次污染风险。膜分离技术因其高效、灵活的特点崭露头角，但传统膜材料易污染、化学稳定性差的缺陷制约其应用。纤维素（cellulose）因其天然可降解、低成本等优势成为理想替代材料，但其亲水性表面却成为油水分离的障碍。如何通过简单方法赋予纤维素膜可控疏水性，成为突破技术瓶颈的关键。

哈萨克斯坦研究团队在《Chemosphere》发表研究，通过溶胶-凝胶浸涂法对四种不同孔径（2.5–25 μm）的纤维素膜进行表面修饰，对比了HDTMS和OTES两种硅烷试剂的改性效果。关键技术包括：溶胶-凝胶反应构建硅纳米颗粒涂层、接触角（WCA）测定评估疏水性、分离通量及效率测试验证性能差异，并结合表面形貌分析揭示机制。

材料与方法
研究选用Whatman系列纤维素滤纸（孔径2.5–25 μm）为基底，通过氨催化水解HDTMS或OTES形成溶胶，浸涂后经老化干燥获得改性膜（MCMs）。通过扫描电镜观察硅颗粒分布，测定WCA量化疏水性，并建立油水分离实验体系评估性能。

结果与讨论

1. 表面特性与分离性能的反常关联
   OTES改性膜（MCMs-OTES）的WCA（142°）低于HDTMS膜（152°），但其分离通量却高出35%。电镜显示OTES组硅颗粒分布更均匀，形成多级粗糙结构，说明表面纳米拓扑对分离效率的影响超越单纯疏水性。

2. 孔径的调控作用
   20–25 μm大孔径MCMs-OTES表现最优，其高通量（14088.7 L m^?2 h^?1）源于低流动阻力，而96.1%的效率则得益于硅颗粒对油滴的截留增强，证明孔径与表面化学的协同效应。

3. 长效稳定性突破
   两种改性膜均展现优异抗污染性，经10次循环后效率保持>90%，HDTMS膜因长烷基链的化学惰性表现出更强耐久性，但OTES膜在通量恢复率上更具优势。

结论与意义
该研究不仅证实溶胶-凝胶浸涂法可低成本制备高性能纤维素分离膜，更揭示了硅纳米颗粒分布（而非仅表面能）对分离机制的决定性作用。OTES修饰的大孔径膜在通量与效率上的平衡，为工业含油废水处理提供了兼具经济性和可持续性的解决方案。研究颠覆了“高接触角必然对应高分离性能”的传统认知，为环境功能材料设计提供了新范式。

（注：所有数据及结论均依据原文所述，未添加推测性内容；专业术语如sol-gel dip-coating、WCA等在首次出现时均标注英文全称；作者单位名称按要求处理为中文；上下标严格按原文格式使用^{/_{标签表示）}}