pH响应性Janus膜的设计及其在单向输水与高效油水分离中的应用研究

针对复杂油水混合物分离难题，研究人员通过顺序静电纺丝技术开发了具有pH响应性的Janus膜。该膜通过顶部pH响应层（PBHDN/PAN）与底部疏水层（PVDF）的协同作用，实现了酸性条件下单向输水（通量>25000 L m-2 h-1 ）及99%以上的油水分离效率，为智能膜材料在微流控和污水处理领域的应用提供了新策略。

　　

随着工业化的快速发展，石油产品消耗量激增，含油废水排放已成为威胁生态环境和人类健康的全球性问题。传统分离技术如重力沉降、吸附法等存在能耗高、效率低、易产生二次污染等缺陷，尤其对乳化液（液滴<20 μm）处理效果不佳。更棘手的是，当油包水（W/O）和水包油（O/W）乳液共存时，单一亲/疏水性膜无法同步处理。受古罗马双面神Janus的启发，具有不对称润湿性的Janus膜为解决这一难题提供了新思路，但其刺激响应功能和分离通量仍有待提升。

新疆维吾尔自治区自然科学基金资助的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表论文，通过顺序静电纺丝技术构建了pH响应性Janus膜。该膜由三层结构组成：顶部为pH响应层（PBHDN/PAN），中间为亲水层（PVP/PAN），底部为疏水层（PVDF）。研究通过扫描电镜（SEM）和能量色散谱（EDS）表征膜结构，测试不同pH下的接触角变化，并系统评估了其对不相溶油水混合物、O/W和W/O乳液的分离性能。

关键技术方法

1. 顺序静电纺丝技术制备三层Janus膜；
2. ¹
   H NMR验证响应性聚合物PBHDN结构；
3. 接触角测试分析pH调控的润湿性转变；
4. 分离通量与效率测定（包括抗重力实验）。

研究结果
Asymmetric structure of the Janus membrane
SEM显示三层纤维膜具有梯度孔径分布，顶部响应层纤维直径1.2±0.3 μm，底部PVDF层形成超疏水微纳结构（水接触角158°）。EDS证实氮元素在响应层富集，氟元素在疏水层富集。

pH响应润湿性调控
顶部PBHDN/PAN层在pH=2时呈现亲水性（接触角32°），pH=7时转为疏水性（接触角121°），而PVDF层始终保持超疏水性。这种动态不对称性实现了酸性条件下水的单向渗透（"开-关"调控）。

分离性能
对柴油/水混合物分离效率达99.4%，最大通量25780 L m^-2
h^-1
；对O/W和W/O乳液分离效率均>99%，且能通过抗重力输运实现油/水的定向收集。

Conclusions
该Janus膜通过pH调控实现智能液体门控功能，其创新性体现在：

1. 首次将PBHDN响应聚合物与静电纺丝工艺结合，构建动态润湿性界面；
2. 突破传统膜分离通量瓶颈（较文献值提高20倍）；
3. 为复杂乳化液处理提供"一膜多效"解决方案。

讨论意义
研究不仅推进了刺激响应膜材料的设计理论，其提出的"梯度润湿性驱动分离"机制为开发低能耗水处理技术提供了新范式。未来可通过集成其他响应基团（如温敏、光敏）进一步拓展功能，在海上溢油应急处理、工业废水回用等领域具有广阔应用前景。