Advanced Sustainable Systems:微生物纤维素基油水分离膜材料的绿色构筑

近年来,随着石油化工行业及海洋运输业的迅猛发展,包括海洋原油泄漏在内的油料污染水体事件频繁发生。如果油水混合物不能有效分离,不仅导致资源的浪费,而且会对环境造成严重污染,甚至影响人体健康。采用膜分离技术将混合物中的油水两相进行分离被认为是一种高效、节能、廉价的方法。为了实现油水两相的有效分离,必须构造一种油水选择性透过的分离膜材料,这就要求该分离膜具备特殊的浸润性,即具有超疏水性或者水下超疏油性。其中,相对于超疏水的分离膜而言,水下超疏油的分离膜可以有效避免油污堵塞孔道而引起了更广泛的关注。然而,目前这类水下超疏油型油水分离膜主要借助化学刻蚀、化学修饰、层层组装、3D打印等技术方法在基体材料的构筑亲水且粗糙的微纳结构来实现,这一过程通常离不开相对复杂的化学处理或者精密设备,对于如何以更加绿色环保、简便有效的方式来构筑高效油水分离膜材料仍然是一个有待进一步解决的问题。

近日,内蒙古科技大学化学与化工学院赛华征课题组针对这一问题,采用将微生物发酵而成的纤维素水凝胶机械打浆以后抽滤成具有水下超疏油特性的膜材料,实现了油水分离膜的绿色、便捷构筑。微生物菌体分泌出来的纤维素为直径约20~80 nm的纳米纤维丝,将其构成的水凝胶打浆以后再抽滤成膜可以得到由纳米纤维丝交织而成的三维网膜,持水性良好;纤维素纳米纤维表面富含的大量羟基赋予其良好的亲水特性,表面吸附的水分子层可以有效隔绝油相与纤维素之间的接触。再结合纤细的纳米纤维丝带来的粗糙表面,该分离膜最终呈现出优异的水下超疏油特性(油相的水下接触角大于152°,滚动角约4°),使其可以实现水相快速通过而油相不通过,油水混合物及水包油(O/W)型乳液的油水分离效率均超过99.7%。此外,该分离膜的微观结构可以通过微生物纤维素用量及不锈钢基底的目数来进行调控,研究者还结合微观结构对分离效果的影响提出了两种不同的分离模型。这一研究为高效油水分离膜材料的绿色合成提供了新的思路。相关论文发表在Advanced Sustainable Systems(DOI: 10.1002/adsu.202000042),并被Advanced Science News以视频摘要的形式报道(https://www.advancedsciencenews.com/using-bacteria-to-separate-oil-and-water/)。