隨著工業的快速發展，大量被有機物污染的水被排放到環境中，包括分散的油類及有機溶劑，和溶解的抗生素及染料等，對生態系統和人類健康帶來了巨大的風險。與傳統的吸附、蒸餾等方法相比，具有特殊潤濕性質的膜因為膜分離技術的低能耗與高效率引發了科研人員的廣泛關注。然而低成本并大規模地制造可用于不同復雜污水處理情景的超潤濕分離膜仍然是一個挑戰。
近期，德州農工大學方磊教授課題組報道了一種基于氧化鋅納米顆粒 （ZnONPs）引發光聚合法（ZIP）制備多種超潤濕分離膜用于可持續水處理。該方法充分利用了ZnONPs的物理化學性質，使其引發單體的光聚合形成復合膜，增加膜表面粗糙度以實現超潤濕性以及催化可溶性有機小分子污染物的光降解。該方法制備簡單，成本低廉，并可根據不同水處理場景選擇合適的聚合單體與基底。
所有通過ZIP制備的膜都呈現超親水（水的接觸角均接近0°）和水下超疏油（水下油接觸角均>155°）（圖3）。特殊的超潤濕性以合適的孔徑大小（圖2）使得ZIP制備的膜可以快速高效地分離不同尺寸的油水混合物。在重力作用下，PAM-ZnO@SSM能以 19700L/m2 和 1340L/m2的高通量分離分層的油水混合物以及無表面活性劑的油水乳液，效率達到99.9%。PNaAMPS-PDA-ZnO@MCE和Porous-PAM-ZnO膜均可在真空壓力下以99%的效率凈化多種表面活性劑穩定的油水乳液，并展現了良好的循環使用能力（圖4）。此外，Porous-PAM-ZnO膜集成了油水乳液分離和有機污染物的光催化降解功能，可同時去除不相溶的油和可溶性有機污染物來凈化復雜的廢水。在紫外燈作用下，在經過一個光照過濾周期，其可在將水中分散的微米/納米大小的油滴過濾的同時降解67.9%的甲基橙污染物 （圖5）。如果需要更干凈地去除溶解的有機污染物，則過濾液可以簡單地循環使用作為進料，再次進行光降解以達到較低濃度的溶解有機物含量。
圖1. 通過ZIP法制備三種超親水水處理膜
圖2：ZIP制備膜的照片和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像
圖3：ZIP制備膜的表面潤濕性質以及耐磨性能
圖4：ZIP制備膜在凈化油/水混合物和納米尺度的水包油乳液中的分離性能
圖5：Porous-PAM-ZnO膜對水中分散和溶解污染物的同時去除性能
這項研究闡明了一種具有成本低廉、可放大和可持續性的分離膜制備方法，具有在各種水處理場景中的潛在適用性。這種多功能策略可以擴展到包括更廣泛的半導體納米顆粒、單體和基底，為可持續水處理應用的超潤濕和光催化膜的規模化生產提供了思路。以上的研究成果以“Versatile and efficient photopolymerization approach to zinc oxide-composed dual functional membranes for sustainable water treatment”為題發表在Matter期刊，德州農工大學李臣軒博士為該論文第一作者。
該工作是團隊關于高分子吸附及分離材料的進展之一。在過去的幾年中，團隊設計了一系列簡單易行的多孔高分子材料的合成方法，并用于甲烷吸附（ACS Materials Lett. 2020, 2, 49-54），溶液小分子吸附（Mater. Chem. Front. 2018, 2, 396-401），有機溶劑納濾（J. Mater. Chem. A 2020, 8, 15891-15899），BTEX氣體吸附與探測（Mater. Today Chem. 2022, 24, 100915）。同時，團隊制備了基于四角針狀氧化鋅引發光聚合的超疏水/超親油涂層用于不互溶的液液分離（Mater. Horiz. 2022, 9, 452–461）。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S259023852300646X
