基于溶胶-凝胶/相转化法的分级超疏水非织造聚酯膜环保制备及其超高通量油水分离性能研究

为解决工业含油废水及海上溢油造成的环境问题，研究人员通过溶胶-凝胶/相转化法开发了一种新型超疏水非织造聚酯(NWP)膜。该膜整合PVDF(聚偏氟乙烯)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)与水解TEOS(正硅酸乙酯)/VTMEOS(乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷)，形成具有分级微纳结构的复合材料，水接触角>150°，在pH 1-13范围内保持稳定，0.02 MPa低压下实现19,400 Lm-2h-1通量及99.9%分离效率（70次循环）。该研究为环境修复提供了可规模化生产的节能膜技术。

　　

随着工业含油废水排放和海上溢油事故频发，传统油水分离技术如吸附、重力分离等存在效率低、成本高、二次污染等问题。膜分离技术虽具有选择性优势，但现有超疏水膜普遍面临机械强度不足、化学稳定性差、循环性能衰减快等瓶颈。尤其在高通量需求场景下，如何平衡孔隙率与孔径分布成为关键挑战。受荷叶效应启发，中国科学院合肥物质科学研究院的研究团队通过创新材料组合与工艺设计，在《Journal of Membrane Science》发表研究，开发出兼具超高分离性能和环境耐受性的新型膜材料。

研究采用溶胶-凝胶与相转化联用技术，以非织造聚酯为基底，通过PVDF/PVP与水解TEOS/VTMEOS的协同作用构建微纳分级结构。结合SEM、EDS、micro-CT等表征手段和DFT理论计算，系统验证材料性能。特别设计0.02 MPa低压过滤装置评估实际分离效果。

材料与方法
实验选用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，通过调控PVDF/PVP比例（7:3）形成铸膜液。TEOS/VTMEOS经酸催化水解后与聚合物共混，经相转化形成多孔结构。采用密度泛函理论(DFT)计算水解缩合反应能垒（-28.3 kcal/mol），证实Si-O-Si网络与PVDF的氢键作用。

SEM、EDS与micro-CT成像
显微分析显示改性膜纤维表面覆盖纳米级突起（200-500 nm），孔隙率提升至87.17%，孔径分布0.4-1.8 μm。EDS图谱证实Si元素均匀分布，验证VTMEOS成功接枝。三维重构显示贯通孔道占比达92%，为高通量奠定结构基础。

理论验证
DFT计算表明TEOS/VTMEOS水解产物与PVDF羰基氧形成强氢键（结合能-9.7 kcal/mol），而VTMEOS的乙烯基与PVDF链段产生疏水协同效应。溶剂化自由能差（ΔG_solv=-14.2 kcal/mol）驱动自组装过程，解释实验观测到的超疏水稳定性。

结论与意义
该研究创制的膜材料在0.02 MPa低压下实现19,400 Lm^-2h^-1通量，较传统膜提高3倍；70次循环后效率仍保持99.9%，10%NaOH浸泡240小时接触角仅下降2.1°。DFT理论首次揭示硅氧烷网络与聚合物的多级相互作用机制，为理性设计提供依据。中国科学院合肥物质科学研究院Tang Xianghu团队提出的环保制备工艺，突破现有技术能耗高、寿命短的局限，对近海油污治理和工业废水处理具有重要应用价值。