油水乳狀液是一種常見的含油廢水，廣泛存在于日常生活和工業生產中，排放前必須進行處理。由于這些傳統工藝的天然缺陷:容易被油污染而阻塞和污染膜和聚結劑，操作能耗和破乳劑成本高，或頻繁更換吸附劑，因此難以實現廉價和滿意的乳狀液處理。
近日，四川大學蔣煒教授課題組在期刊ACS Applied Materials & Interface上發表題為“Universal Rapid Demulsification by Vacuum Suction Using Superamphiphilic and Underliquid Superamphiphobic Polyurethane/Diatomite Composite”的文章。該論文報告了一種基于超浸潤材料對油水乳液進行連續破乳及油水分離的過程，提出了超浸潤三維多孔聚氨酯/硅藻土（PU-硅藻土）預破乳裝置，構建了一套具有工業應用前景的基于超浸潤材料的連續油水分離裝置和基于該裝置的分離工藝，實現了油水混合物穩定、高效、連續破乳和分離，為工業含油廢水規；统杀究焖偬幚硖峁┝艘粭l可借鑒思路。文章的通訊作者為四川大學化學工程學院蔣煒教授。
圖1 使用三維超親水/超親油PU-硅藻土進行連續油水破乳分離的工藝示意圖
本文要點
1）聚氨酯/硅藻土的浸潤性表征
論文首先對硅藻土、PU膠水和PU-硅藻土在空氣中對水和油的潤濕行為進行了探究。結果如圖2所示，經過固化后進行接觸角測試，硅藻土的WCA為105±4°，OCA為3±1°；PU膠水的WCA為56±3°，OCA為11±2°；而PU-硅藻土的WCA和OCA都為0°。
圖2 PU/硅藻土的潤濕性: (a) 硅藻土、PU、PU/硅藻土的油/水接觸角; (b) 水下超疏油性；(c) PU/硅藻土的油下超疏水性
2）針對無表面活性劑的油水乳液
基于上述超浸潤三維多孔PU-硅藻土對多種無表面活性劑的油水乳液進行研究。無表面活性劑水包煤油（圖3a）和煤油包水（圖3b）乳液經過PU-硅藻土破乳后連續相的透過率大均于乳液，并與未乳化前的連續相的透過率基本一致，說明PU-硅藻土能實現無表面活性劑的水包油和油包水乳液完全破乳。如圖3c-d所示，無表面活性劑水包煤油和煤油包水乳液呈乳白色乳液狀，在顯微鏡下都能清楚觀測到許多小液滴。經過PU-硅藻土破乳后濾液均澄清透明，連續相在同等倍數顯微鏡下并未觀測到任何小液滴，證實PU-硅藻土可以實現無表面活性劑油水乳液完全破乳。
圖3無表面活性劑：(a)水包煤油和(b)煤油包水乳液破乳前后的透過率；水包煤油(c)和煤油包水(d)乳液前后實物圖和顯微鏡圖
3）針對含表面活性劑的油水乳液
含有表面活性劑的乳液分離難度加大，表面活性劑穩定的水包煤油乳液（圖4a）和煤油包水乳液（4b）經PU-硅藻土破乳后，連續相的透過率均大于原乳液，與未乳化的連續相的透過率基本一致，意味著PU-硅藻土具備實現表面活性劑穩定的油水乳液完全破乳的能力。圖4c和圖4d分別展示了表面活性劑穩定的水包煤油和煤油包水乳液均呈乳白色乳液狀，在顯微鏡下均可以清楚觀測到大量小乳滴。經過PU-硅藻土破乳，濾液均澄清透明，在同等倍數顯微鏡下并未觀測到濾液連續相有任何小液滴，證實PU-硅藻土可以實現表面活性劑穩定的油水乳液完全破乳。因此，通過上述結果證實PU-硅藻土能實現無表面活性劑以及表面活性劑穩定的油水乳液完全破乳。
圖4 含表面活性劑穩定的乳液：水包煤油(a)和煤油包水(b)乳液破乳前后連續相和煤油的透過率；水包煤油(c)和煤油包水(b)乳液前后實物圖和顯微鏡圖
4）聚氨酯/硅藻土的破乳機理
破乳過程機理如圖5所示，在典型的破乳過程中，由于PU/硅藻土強大的吸附作用，無論是水還是油作為連續相首先與PU/硅藻土接觸，在其表面迅速擴散，形成穩定的液體膜。其次，剩余的連續相和分散相均能到達濕法PU/硅藻土，但前者由于其含量更高，接觸概率遠高于后者。因此，連續相的膜不斷補充，在外力的驅動下沿著PU/硅藻土表面流過濾餅。并且PU-硅藻土油下超疏水性導致復合材料表面對連續相與分散相的相互作用力存在差異。兩種液相在多孔復合材料的微觀結構中以不同的方式運動，PU/硅藻土材料粗糙表面和濾餅多孔結構促進了微小分散相液滴的結合，真空吸力提供了恒定的外力，保證了濾餅的穩定通量。這些機制共同作用，使破乳效果普遍穩定，并具有可接受的抗油垢能力。
5）油水乳液連續分離
將具有超疏水雙層波紋通道結構的油水分離器，通過蠕動泵與吸入過濾裝置連接，形成破乳分離裝置，實現乳化液的完全分離。結果顯示，除初始階段外，該裝置的分離效率均保持在99.5%以上，證實了破乳分離裝置的操作穩定性。連續運行結果表明，破乳分離裝置配合PU/硅藻土作為破乳核心材料，能夠穩定分離油水乳狀液。油包水乳液和油包水乳液在真空壓力和流量恒定的條件下長期穩定運行，不受油垢的嚴重影響。分離后的水和油分別可視為可排放廢水和可回收油。聚氨酯/硅藻土在工業、環保和日常生活中具有廣闊的應用前景。
圖6 連續破乳分離工藝:(a) 收集水透光率; (b) 水包煤油乳化液48 h的乳化液通量和乳化液分離效率; (c) 采集煤油的透光率; (d) 48 h水-煤油乳化液的乳化液通量和乳化液分離效率。
原文鏈接：
Pan Wu, Qiuxian Luo, Qiuxian Luo, Xingyang Zhang, Jian He, Changjun Liu, and Wei Jiang*, Universal rapid demulsification by vacuum suction using superamphiphilic and underliquid superamphiphobic polyurethane/diatomite composites, ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, XXXX, XXX, XXX-XXX
https://doi.org/10.1021/acsami.2c03967
作者簡介：
蔣煒教授，四川大學化學工程學院先進材料工程化研究組負責人，從事科研領域為化學工藝與工業催化，近五年主要科研方向為化工先進材料工程化，通過開發新型超浸潤材料、光催化劑和工業催化劑吸附劑材料，進行工業廢水處理、化工過程強化和多相反應研究。
