《Journal of Water Process Engineering》：Selective etching enabled robust Janus cloth for gravity-driven purification of corrosive emulsions and removal of dyes wastewater
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Jintao Wang|Xiaolin Wang|Hongfei Wang•通过简单的两步单向改性方法，制备出了一种Janus棉布。•该棉布在恶劣的化学/机械条件下具有不对称的润湿性和稳定性。•它能高效分离各种腐蚀性的油水混合物和乳状液。•分离过程完全依靠重力驱动，因此能耗较低。
Jintao Wang|Xiaolin Wang|Hongfei Wang
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通过简单的两步单向改性方法，制备出了一种Janus棉布。
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该棉布在恶劣的化学/机械条件下具有不对称的润湿性和稳定性。
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它能高效分离各种腐蚀性的油水混合物和乳状液。
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分离过程完全依靠重力驱动，因此能耗较低。
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在油水分离过程中，该棉布还能去除水溶性染料。
引言
随着日常活动及工业操作的不断增加，含油废水的产生量也大幅上升，这给全球环境带来了严峻挑战[1]。传统的净化方法，如焚烧、吸附、重力沉降和生物处理等，由于去除效率低、操作流程复杂、选择性有限，以及可能产生二次污染的问题，往往难以满足需求[2]。鉴于这些局限性，研发具有特定润湿特性的多孔分离材料，成为有效去除油类污染物的有效途径。不过，大多数超疏水材料由于其单一的润湿倾向，只能用于分离油相或水相中的物质[3]。通常，超疏水表面适用于分离较重的油类或水包油型乳状液，而亲水表面则更适合去除较轻的油类或油包水型乳状液。这就需要开发出能够高效分离各类含油废水的先进材料。
具有不对称润湿特性的Janus材料为按需实现油水分离提供了一种创新方法[4]、[5]。这类材料具备双重特性，可选择性去除油类和水，从而克服了传统单一润湿特性分离材料的不足。已有许多研究致力于开发各种Janus材料，包括网状结构[6]、泡沫材料[7]、木质材料[8]、滤纸[9]以及布料[10]，它们在不同应用场景下各有优势。其制备方法包括电沉积、氧化聚合、喷涂、静电纺丝以及原位聚合等。例如，Xiao等人通过逐层静电纺丝技术制备出一种Janus膜（PCP@PAN-PEI），可用于按需实现油水分离及铬元素去除，且分离效率高达99.5%以上[11]。Cao等人则制备出一种经过静电纺丝处理的Janus膜（PAN-PEG/PCL），该膜具有梯度孔结构，可实现高效的水传输，水渗透速度极快，乳状液处理通量超过205 L·m-2·h-1[12]。虽然这些方法能够有效调控材料的各向异性润湿性能，但由于需要专用设备与原材料，且所得材料难以降解，限制了它们的广泛应用。此外，许多这类材料，如织物和网状结构[13]，由于其孔隙较大且厚度有限，往往无法有效分离复杂的油水混合物，尤其是油水乳状液。因此，开发具有精确控制孔径、合适厚度以及不对称润湿特性的Janus材料，对于其在实际应用中有效处理含油废水具有重要意义。
棉布作为一种高效的油水分离材料，因其高效率、易获取、可持续性以及良好的柔韧性、便携性和成本效益等优点，备受关注[14]。目前已有多种超疏水改性的棉布被开发出来，比如接枝松香壳聚糖纳米粒的棉布[15]、经过改性处理的ZI-67棉布[16]、接枝PDMS/PNIPAM刷层的棉布[17]，以及接枝聚合物改性SiO2纳米粒的棉布[18]，它们都表现出出色的油水分离性能。然而，许多传统改性棉布仅能分离不相溶的油水混合物，对于稳定的乳状液则效果不佳。为解决这一难题，我们报道了一种通过简单两步工艺制备的新型Janus棉布。该工艺首先通过原位沉积二氧化硅纳米粒在整块棉布上形成坚固的超疏水涂层，随后进行疏水化处理；之后再用碱性过氧化氢溶液选择性蚀刻棉布的一侧，使其恢复亲水性。这种不对称结构使得该棉布能够仅依靠重力，就能高效选择性地分离各种油水混合物，包括那些难以处理的乳状液。此外，该棉布在另一个独立的靠重力驱动的过滤过程中，还能去除水溶性染料。即便在酸性、碱性、盐溶液、有机溶剂、热水以及机械磨损等恶劣环境中，这种Janus棉布仍能保持其独特的润湿特性。与以往那些依赖合成聚合物、专用设备或外部压力的Janus膜相比，这种新型棉布在成本低、可大规模生产、依靠重力驱动运行，以及同时具备乳状液分离和染料去除功能方面具有明显优势，因此有望成为处理复杂含油废水的重要材料。
章节摘要
材料
棉布由中国的小军布料实业有限公司提供。氢氧化钠（分析级）和过氧化氢（30%重量浓度）由中国天津中联化学试剂有限公司提供。正硅酸四乙酯（98%纯度）由中国天津化学试剂有限公司提供。十二烷基三甲基氧化硅（98%纯度）由中国润友化工有限公司提供。所有的油类和溶剂则由中国国药集团化学试剂有限公司提供。
JCC的性能表征
图1a展示了JCC的两阶段制备过程：首先是整体沉积超疏水层，然后再通过单侧化学蚀刻使材料恢复亲水性。这种不对称改性成功地在材料的一侧赋予了超疏水特性，而另一侧则恢复了亲水性，从而实现了所需的双重润湿性。通过傅里叶变换红外光谱分析，确认了经过逐步改性后棉布表面的化学变化情况。
结论
综上所述，通过一种可行的两步策略——先对棉布进行整体超疏水改性，再对其一侧进行选择性蚀刻，我们成功制备出了具有不对称润湿特性的Janus棉布。该棉布的一侧具有超疏水性（接触角大于155°），另一侧则具有亲水性/拒水特性（接触角大于148°）。这种Janus棉布展现出极高的耐用性，因为它的两个表面都能保持各自的独特润湿特性。
作者贡献说明
Jintao Wang：负责文章的审阅与编辑工作、原始稿件的撰写，以及项目的管理和相关研究工作。Xiaolin Wang：负责资源协调及项目管理工作。Hongfei Wang：同样负责资源协调及项目管理工作。
利益冲突声明
我们声明， ourselves不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了以下机构的支持：安康大学高层次人才基金（项目编号：2022AYQDZR02）、安康大学科研创新基金（项目编号：2021ZNKYCJ42）、安康市中青年科技创新领军人才计划（项目编号：AK2023PD-ZQN-03）、陕西省教育厅资助的科学研究计划（项目编号：25JS003），以及一项企业委托的横向研究项目（项目编号：2025AYHX095）。
