棉基Janus织物：非对称超润湿性设计实现高效乳液分离

【编辑推荐】面对工业含油废水处理难题，研究人员通过低成本浸渍-喷涂/紫外辐照技术，开发出双侧非对称超润湿性（SOI/SHB|SOB/SHI和USOB/SHI|SOI/SHB）棉基Janus织物，实现水包油（O/W）和油包水（W/O）乳液99.7%分离效率及70 L·m?2·h?1重力驱动通量，为无能耗油水分离提供创新解决方案。

　　

随着工业化进程加速，含油废水排放对生态环境和人类健康构成严重威胁。传统油水分离技术面临乳液处理效率低、能耗高的瓶颈，尤其是微米级分散相乳滴的分离需要平衡孔隙尺寸与渗透性的矛盾。选择性超润湿（superwettability）表面虽能通过表面能差异实现油水区分，但单一润湿性设计难以兼顾不同类型乳液分离需求。Janus材料因其双侧非对称润湿性引发的"液体二极管"效应，为突破这一困境提供了新思路。

为解决上述问题，中国国家自然科学基金资助的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，提出一种基于棉织物的双侧选择性超润湿Janus材料设计策略。通过浸渍涂覆结合喷涂沉积或紫外辐照两种工艺，构建了超亲油/超疏水-超疏油/超亲水（SOI/SHB|SOB/SHI）和水下超疏油/超亲水-超亲油/超疏水（USOB/SHI|SOI/SHB）两种构型。关键实验技术包括：纳米TiO₂改性棉纤维表面处理、接触角测量评估润湿性、重力驱动分离装置测试通量，以及扫描电镜观察微观结构。

材料机制
通过建立Laplace力驱动模型，揭示Janus织物单向输运机制。将织物截面简化为线性排列的圆柱体（图2a），超亲液侧纤维形成连续液膜，而超疏液侧保持气隙，产生压力差ΔP=2γ(cosθ_A-cosθ_R)/r（θ为接触角，r为纤维半径），推动液体定向穿透。

分离性能
SOI/SHB|SOB/SHI构型对油包水乳液（W/O）分离效率达99.7%，接触角测试显示其油接触角0°（完全浸润）而水接触角158°；USOB/SHI|SOI/SHB构型则实现水包油乳液（O/W）同等效率分离。重力驱动下最大通量70 L·m^?2·h^?1，远超传统超润湿膜材料。

应用拓展
该材料展现出多场景适用性：在雾收集实验中，Janus织物单侧超亲水性实现水汽快速凝结，另一侧超疏水性阻止反渗透；在定向流体传输测试中，10 μL液滴可在3秒内完成单向穿透。

研究结论表明，这种低成本、可规模化制备的Janus织物成功解决了选择性超润湿材料在乳液分离中效率与通量的矛盾。其创新性体现在：首次将双侧选择性超润湿与Janus特性结合，通过非对称设计实现乳液类型自适应性分离；重力驱动模式突破传统分离技术依赖外部压力的限制。该技术为工业废水处理、溢油回收及流体智能控制等领域提供了新范式，其表面工程策略对开发多功能分离材料具有普适指导意义。