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  保護生態環境實現循環經濟是科學發展的必然，在石油化工勘探、煉油和運輸過程中發生的油品泄漏以及工業和生活含油廢水的排放處理是學術界和工業界在不斷探索的科學技術難題，尤其細菌、染料和金屬離子等復雜成分及水包油或油包水復雜形態讓目前的凈水處理膜材料和工藝難以解決。

  為攻克這一難題，團隊設計了一種響應型的Janus PVDF復合膜，該膜具有選擇潤濕性，賦予特定的按需分離能力，能夠實現油包水和水包油乳液體系的分離；又具有靜電吸附和光降解功能，實現有機染料的分離和降解；膜的抗菌性和低黏附性有效將細菌殺滅和解決了工業界膜的微生物和油污染問題。

圖1

  該成果發表在化工領域國際權威期刊《Chemical Engineering Science》:Smart Janus membrane for on-demand separation of oil, bacteria, dye, and metal ions from complex wastewater，Chemical Engineering Science, 2022, 253, 117586。

圖 2. (a) Janus S/PS/ZnO/CNTs/PVDF復合膜的制備工藝示意圖及(b)其在表面活性劑穩定的W/O膜分離中的應用和O/W乳液和O/W/染料/細菌/金屬離子復雜廢水中的處理應用。

1.Janus 膜油包水分離研究

圖 3. (a) W/O乳液粒徑分布的DLS結果，以及進料（分離前）和濾液（分離后）的顯微照片和實物圖；(b) Janus膜分離通量和分離效率；(c)膜分離W/O乳液的內在機制示意圖。

  通過測量膜通量和分離效率來評定Janus膜的W/O乳液分離能力；水/十六烷乳液進料為亞微米級（0.5-1 mm）多分散乳液（圖 3a），濾液透明，所有W/O乳液的分離效率超99%，甲苯、正己烷、石油醚和十六烷的分離通量分別為1194.2、1656.1、4917和382.2 L m^-2h^-1 bar^-1（圖 3b），并揭示了膜分離W/O乳液的內在機制與侵入壓力(Dp)相關。

2.Janus 膜水包油分離研究

  Janus膜展現出了較低的水下油黏附力（圖 4a-b）；Janus膜的W/O乳液分離能力通過膜的分離通量和分離效率來評價，水/十六烷乳液進料為亞微米級的多分散乳液（圖 4c），圖4d顯示了所有W/O 乳液均成功分離，分離效率超過99%，Janus 膜對甲苯、正己烷、石油醚和十六烷包水乳液相應的分離通量分別為 1194.2、1656.1、4917和382.2 L m^-2h^-1 bar^-1，揭示了膜分離O/W乳液的內在分離機制也與侵入壓力(Dp)相關（圖 4e）。

3. 復雜體系油水分離研究

  總而言之，該策略提供了良好的膜材料設計思路，以實現乳液的高通量和高效按需分離，油包水和水包油乳液的按需分離機制與潤濕性、黏附力和侵入壓力有關。復雜廢水的分離通量和效率分別達到4917 L m^-2h ^-1 bar ^-1和99%，且具有良好的有機染料(>98.6%)、金屬離子(>99.7%)和細菌(>99.7%)去除率（圖5）。該工作將為按需實現高通量和高效率的膜材料設計提供參考，該技術有望在未來大規模應用于工業和實際生活中復雜廢水的分離凈化。

  文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250922001701

  此外，課題組在抗菌和抗細菌黏附技術的構建方面也取得了其它系列成果：

  （1）揭示了可切換超疏/超親水智能表面抗菌抗細菌黏附性的差異和關聯(Chemical Engineering Journal(IF=13.2), 2022, 431, 134103);

  （2）設計出了一種能夠一步分離含細菌/染料/油的復雜污水且能夠抗細菌/染料/油黏附污染的復合膜。(Chemical Engineering Journal(IF=13.2), 2021, 413:127493);

  （3）為探究新型的高效抗菌分子，設計合成了一種仿生甲殼蟲狀的抗菌大分子(International Journal of Biological Macromolecules(IF=6.9), 2020, 157:553-560，ESI高倍引論文);

  （4）為解決多孔粗糙纖維表面由于毛細管力吸附作用易黏附細菌的難題，提出了超疏水超疏油Cassie-Baxter狀態表面構建技術，細菌液滴被空氣層懸浮在其表面(ACS Applied Materials & Interfaces(IF=9.2), 2018, 10: 6124-6136, ESI高被引，熱點論文);

  （5）為探究在任意異型表面構筑抗細菌黏附表面技術，研究開發了一種簡易噴涂抗細菌黏附微球的技術，提出了親水阻抗和疏水排斥型兩種抗細菌黏附模型，并論證了超疏水疏油/超疏水水下疏油特性是疏水表面抗細菌黏附的內在機制，首次通過分子模擬闡述水化層阻抗是親水表面抗細菌黏附的內在機制(Journal of Materials Chemistry A(IF=12.7), 2019, 7:26039-26052, ESI高被引);

  （6）提出實現了抗細菌黏附技術在基于Cassie-Baxter潤濕狀態下具有抗液體干擾和抗細菌黏附的高拉伸性和超靈敏可穿戴柔性應變傳感器中的應用(Advanced Functional Materials（IF=18.8）, 2020, 30(23): 2000398, ESI高被引);

  （7）為探究在復雜多變的環境下構筑抗細菌黏附表面的技術，研究開發了一種智能抗細菌黏附溫度和光雙重響應增強技術，提出并論證了溫度和紫外光照射刺激對復合表面的抗細菌黏附性能的影響規律及其機理。(Chemical Engineering Journal(IF=13.2), 2021, 407: 125783，ESI高被引)。