具有设计表层的超亲水/水下超疏油碳质纳米纤维膜用于乳化含油废水净化

本文创新性构建双层结构碳质纳米纤维膜（CNFM），通过过渡态静电纺丝技术形成超细纤维表层，实现小孔径（<2μm）与超浸润性（超亲水/水下超疏油）协同，突破传统膜材料化学稳定性差与乳化油滴截留效率低的双局限，为复杂水质下乳化油水分离提供新策略。

　　

Highlight

The morphology, pore structure, and surface property of the bilayer CNFMs

纳米纤维膜的表征艺术：形态、孔结构与表面性质三重奏

碳质纳米纤维膜（CNFMs）的形态、孔径分布和表面性质对其应用性能具有决定性影响，必须精准调控。如图1a所示，CNFMs的制备包含四个关键步骤：基底膜制备、表层构建、预氧化和 precursor 膜碳化。各步骤的设计原则如下：（i）基底膜需具备良好的结构均一性与高孔隙率；（ii）表层应通过特殊工艺实现超细纤维堆积形成致密过滤层；（iii）预氧化过程确保聚合物链的环化稳定；（iv）碳化处理最终赋予材料卓越的化学与热稳定性。通过过渡态静电纺丝技术（electrospraying/electrospinning hybrid），在普通电纺膜表面成功构建了由珠状结构纳米纤维组成的 hierarchical 表层，该结构为膜提供了超亲水（superhydrophilic）与水下超疏油（underwater superoleophobic）的双重特性。更重要的是，表层的存在使膜孔径显著减小，从而实现对乳化油滴的高效截留。

Conclusion

结论：小孔径大使命，碳膜重塑乳化油水分离范式

总之，本研究开发了一种简易策略制备具有超强超亲水性和水下超疏油性的双层碳质纳米纤维膜（CNFM），用于高乳化含油废水的深度净化。以聚丙烯腈（PAN）和二氧化硅纳米颗粒（SiO₂ NPs）为前驱体，采用静电喷射与静电纺丝的过渡态技术，在电纺CNFM表面构建了超细纳米纤维（约97 nm）组成的表层。该 hierarchical 结构表层使所得双层CNFM具备极小孔径和特殊浸润性，能够通过协同效应实现多种水包油乳液的高效分离，并展现出优异的抗油污染性能。此外，该膜还表现出良好的耐腐蚀性和应用耐久性，即使在复杂水质条件下也显示出处理乳化含油废水的巨大潜力。