《Journal of Environmental Chemical Engineering》：PVP-SiO
2 Nanoparticle Adorned Silver Material with Distinct Hydrophilic Hotspots: A Solution for Surfactant Stabilized Oil–in-Water Separation
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1. 开发了一种新型AgS@PVP-PSf复合膜材料，通过非溶剂诱导相分离技术实现高效油水分离，具有优异亲水性（接触角31.52°）、高水吸收能力（86.56%）和抗污稳定性，同时AgS@PVP表现出对大肠杆菌和铜绿假单胞菌的强抗菌性。
斯瓦蒂·迪瓦卡尔（Swathi Divakar）| 马西拉·I·查曼马利克（Masira I. Chamanmalik）| 马德哈瓦拉尼·阿尔瓦萨米（Madhavarani Alwarsamy）| 莫伊斯·迪亚布（Mais Diab）| 西达帕·A·帕蒂尔（Siddappa A Patil）| 马赫什·帕达基（Mahesh Padaki）
印度卡纳塔克邦班加罗尔卡纳卡普拉市Jain全球校区Jain（被认定为大学）纳米与材料科学中心 – 562112
摘要
开发一种用于处理含油废水的亲水膜的技术已成为一个热门的研究领域。在本研究中，亲水二氧化硅（SiO2）被聚维吡咯烷酮（PVP）包覆，并添加了银纳米粒子（AgS@PVP），从而制备出一种独特的添加剂。随后，通过简单的非溶剂诱导相分离（NIPS）技术，将AgS@PVP与聚砜（PSf）结合在一起。改性后的膜（AgS@PVP-PSf）表现出31.52°的水接触角和86.56%的吸水能力，显示出优异的保水性和亲水性。实验结果表明，添加AgS@PVP粒子可以提高表面活性剂稳定的油排斥效果：机器油在水中的乳液分离效率为99.59±0.1%，食用油在水中的乳液分离效率为99.12±0.24%，二氯甲烷（DCM）与水的分离效率高达96.80±0.92%，与纯PSf相比具有显著的性能提升。此外，在连续五次循环测试中，AgS@PVP-PSf混合膜表现出稳定的抗污染性能，并且油排斥能力没有下降。因此，AgS@PVP-PSf混合膜被认为是一种有效的处理和回收含油废水材料。同时，AgS@PVP还显示出对铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和大肠杆菌（E. coli）的强杀菌作用。
引言
随着工业化的快速发展和标准的不断提高，人类活动导致了原油的开采和运输、石油泄漏事件以及工业石油生产，这些都对人类健康构成了威胁。含油废水可以分为不相溶的油/水混合物（>20 μm）和乳化的油/水混合物（<20 μm，即油在水中的乳液或水在油中的乳液）。与不相溶的油/水（O/W）混合物相比，乳化的油/水混合物在分离过程中存在技术挑战[1]、[2]。通常需要使用各种乳化系统（表面活性剂、聚合物、纳米粒子等）来制备稳定的乳液，以防止油滴发生反乳化；然而，由于不可逆的相变行为，这种高稳定性有时可能并不理想，甚至可能有害[3]、[4]。传统的油水分离方法能耗高、分离效率低、耐用性差且重复使用性差[5]。随着时间的推移，膜技术已成为回收泄漏石油和分离油水混合物的主要方法。基于膜的分离方法不仅环保，而且分离效果显著。如果膜同时具有超亲水性和超疏水性，将大大提高其在油水分离中的应用价值[6]。基于这些前提，复合膜在油水分离方面展现了其潜力，具有高分离效率、亲水性和稳定性[7]。最近，具有纳米粒子分散的二维（2D）多孔网络结构引起了广泛关注[8]。由于其独特的性质（如高孔隙率、低密度和极低的导热性），这种材料在许多应用中得到了广泛应用。此外，使用生物相容性聚合物（如PVP）可以改善最终材料的表面性能[9]、[10]、[11]。最近有许多研究使用各种复合材料和制备技术来分离油水混合物，并取得了显著的改进。例如，J. Usman等人制备了聚多巴胺包覆的二氧化硅粒子（SiO2@PDA）基陶瓷膜，该膜显示出97%的油分离效率、109.76 LMH bar-1的渗透通量和90%的通量回收率（FRR）[12]。另一组科学家合成了含有二氧化硅（SiO2）的混合基质聚氯乙烯（PVC）膜，该膜在油水分离中的通量为197.04 LMH bar-1，油分离效率达到99.19%，通量回收率为80.63%[13]。尽管该领域研究深入且兴趣浓厚，但聚合物复合纳米粒子的合成和纯化过程通常较为繁琐，会产生大量化学废物，并且制造周期较长[del]- 这些从经济和环境角度来看都是不理想的。此外，之前的膜分离方法往往会在膜表面产生浓缩的油废物，需要额外处理。此外，膜在清洗循环后无法完全恢复初始性能，从而降低了长期使用效果[14]、[15]。
AgS@PVP纳米球是一种有吸引力的油水分离材料，因为它具备多种优良特性。二氧化硅纳米球有助于抵抗机械应力、变形和压力；其亲水性可以减少生物膜的形成，降低蛋白质、油脂等污染物质在膜表面的附着。同时，二氧化硅有助于维持稳定的孔隙结构，防止银纳米粒子（AgNPs）聚集。聚维吡咯烷酮（PVP）增加了膜表面的亲水性，从而提高了水的渗透性，减少了有机物质和蛋白质在膜表面的污染。先前的研究证明了Ag和二氧化硅在基于亲水性的抗污染性能方面的有效性。Shen等人的研究显示，基于1,3,5-三甲酰氟苯酚（Tp）和2,2'-联吡啶-5,5'-二胺（Bpy）-银共价有机框架（TpBpy-Ag COF）的膜在牛血清白蛋白（BSA）作为进料溶液时，通量回收率可达90.6%，这表明Ag在抗污染中的作用[16]。Gao等人报道了在聚醚砜Ag@BiOCl膜中光诱导还原Ag的效果，光照下膜的通量回收率为85.98%，证明了该膜在高能量源下的抗污染潜力[17]。Xu等人制备了将二氧化硅烧结成Al2O3的膜，用于油乳液分离，该材料具有疏油性和86.1%的抗污染性能，这归功于二氧化硅的亲水性[18]。在本研究中，我们采用了一种简单的两步法来可持续地合成AgS@PVP。与以往的研究方法不同，我们的方法避免了使用强还原剂或光诱导还原来生成AgNPs的缺点，同时也解决了之前报道的二氧化硅改性后通量下降的问题[19]。为了制备这种新型的AgS@PVP添加剂，我们采用直接的水凝胶法将银纳米粒子沉积在二氧化硅表面，其中PVP和乙二醇分别作为改性和还原剂。合成的AgS@PVP添加剂具有优异的金属覆盖率、良好的稳定性和活性银（Ag0）在二氧化硅表面的均匀分布。AgS@PVP随后通过非溶剂诱导相分离法制备成膜。AgS@PVP中的亲水热点赋予了膜亲水性、保水能力、疏油性和抗污染性能。
材料与方法
所有溶剂均按照标准协议进行了纯化。AVRA和Sigma-Aldrich公司提供了金属前体、试剂和材料，包括聚维吡咯烷酮（PVP）、戊醇、柠檬酸钠、正硅酸四乙酯（TEOS）、商业聚砜（PSf-35000）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、蒸馏水、氨水以及硝酸银（AgNO3）。除非另有说明，所有反应均在经过烘干处理的玻璃器皿中进行。
膜形态学研究
为了评估将AgS@PVP加入膜基质对膜结构的影响，我们拍摄了膜的FESEM图像。图4< />和图4中的图像提供了关于膜性能的信息，如选择性和渗透性。虽然所有膜在制备时都保持了100 μm的均匀厚度，但在相转化过程中由于“收缩效应”厚度会减小。纳米粒子的类型和用量也会影响膜的性能。
结论
本研究证实了AgS@PVP和PSf在有效分离油水乳液中的协同作用。通过简单的NIPS方法制备的AgS@PVP-PSf混合膜表现出优异的亲水性、吸水能力、孔隙率和热稳定性。加入AgS@PVP后，膜的纯水通量达到769.14±7.5 LMH，表明该膜具有较高的水渗透性。
作者贡献声明
马德哈瓦拉尼·阿尔瓦萨米（Madhavarani Alwarsamy）：方法学研究、数据管理。
莫伊斯·迪亚布（Mais Diab）：实验研究、数据分析、数据管理。
斯瓦蒂·迪瓦卡尔（Swathi Divakar）：初稿撰写、可视化处理、方法学研究、数据分析、概念构建。
查曼马利克·马西拉（Chamanmalik Masira）：初稿撰写、数据分析、概念构建。
马赫什·帕达基（Mahesh Padaki）：修订与编辑、验证工作、监督、软件使用、资源协调。
西达帕·帕蒂尔（Siddappa Patil）：修订与编辑、验证工作、监督。
利益冲突
本研究不存在需要声明的利益冲突。
致谢
作者感谢JAIN（被认定为大学）提供的博士后奖学金JU/APP/CRTA/2024/698的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
