双膜留出一道缝 油水分离效率高

  石油、冶金、食品、制药等工业生产过程会产生大量的含油废水。其中，添加乳化剂的油水乳液，是一种相对来说比较稳定的油水混合物，在后续处理时尤为棘手，直接排放既污染自然环境又浪费资源。

  如何高效、同步回收稳定乳液中的油和水？浙江大学聚合物分离膜及其表界面工程课题组研究发现，让油水乳液从亲水膜和疏水膜形成的狭缝中通过，即可同步分离油和水。

  在此基础上，该课题组开发出狭缝为4毫米的分离系统，实现油水回收效率分别达97%和75%。相关研究论文近期发表于国际学术期刊《科学》。

  油水乳液，大致上可以分为水包油和油包水两种类型。迄今为止，较为成熟的油水乳液分离技术包括化学絮凝、电聚结与离心分离等。此外，许多研究也聚焦于开发各种各样的分离膜材料及膜分离技术。

  该课题组成员、浙江大学百人计划研究员杨皓程和记者说，现有分离方法通常只能分离出乳液中的部分油相或部分水相，剩余废液仍需进一步处理或被直接排放。

  浙江大学聚合物分离膜及其表界面工程课题组由浙江大学教授徐志康创立，二十多年来，通过分离膜表面工程技术，研发了一系列超亲水的分离膜材料，可从水包油乳液中选择性地分离水相。

  2020年，该课题组研发出一种表面性质迥异、一面亲水一面疏水的非对称多孔膜，可以在一定程度上完成水包油乳液中分散油滴的捕获与分离。徐志康介绍，团队以往的研究只能实现有水乳液中单一组分的分离。随着实践经验积累和研究的深入，小组成员提出，是不是能够尝试用一张亲水膜和一张疏水膜共同组成双向水油分离系统，实现水、油同步分离？

  通过大量实验，该课题组发现，在亲水膜和疏水膜所共同组成的狭缝空间中分离水包油乳液时，当狭缝宽度较大，亲水膜和疏水膜之间互不干涉，分离效率低。当狭缝宽度从100毫米以上逐步缩至4毫米时，分离效果发生了质变：疏水侧的油回收率从5%大幅度的提高至97%，亲水侧的水回收率也从19%提高至75%。

  “基于亲水膜、疏水膜组成的限域空间狭缝实现水油双向同步分离，对于膜科学领域而言，是分离概念和器件的重大突破与创新。”徐志康说。

  虽然利用两张膜留出的缝隙就能达到油水分离的效果，但其背后的原理仍待探寻。该课题组分析了狭缝分离油水的作用机理。他们发现，随着亲水膜和疏水膜间距不断缩小，狭缝的“挤压”作用对乳滴的破乳、分离发挥了关键作用。

  “以分离水包油乳液为例，油滴在乳液中就像一个个小球似的分散在水里，在乳化剂的包裹下形成乳滴。”杨皓程解释说，乳滴越小，越稳定，越难分离。乳液通过两张膜的缝隙时，水在亲水膜一侧被导出，乳滴的局部浓度迅速增加；同时，缝隙由宽变窄，会促进提升其中油滴的碰撞概率。在碰撞过程中，小乳滴会逐渐聚并，成为滴，从而更容易被疏水膜捕获。被捕获之后，滴会破裂，其中的油被导到疏水膜外侧，完成分离。

  在亲水膜与疏水膜的协同作用下，乳液的“浓缩—聚并—破乳—分离”过程得到非常明显强化，形成一种积极的“正向反馈机制”。

  该课题组还分别构建了仅具有单侧亲水膜或单侧疏水膜的狭缝，发现尽管狭缝的“挤压”能够增强单一亲水膜或疏水膜的分离效率，但其油水回收率仍明显低于同时存在亲水膜与疏水膜的狭缝。

  “4毫米其实是目前器件加工的极限，不是这个双膜结构的极限。”杨皓程和记者说，狭缝的宽度会影响器件入口的力学强度，也会导致内部阻力的变化。他介绍，从理论上来讲，在乳液能通过的前提下，狭缝尺寸越小越好。

  现阶段，课题组已经突破了更狭窄通道的结构设计瓶颈，相比4毫米的狭缝，油水分离比例相近且速度更快。

  该课题组开发双膜分离系统最初是为解决化工产业中含油废水的处理问题。然而这项技术油的应用场景远不止于此，它在食品加工等行业也极具应用潜力。

  “比如食品或药品生产的全部过程中高值油性产品的提炼，也非常需要这项技术。”徐志康说，论文发表后，已有几家企业来与课题组对接交流。目前，该课题组已准备基于这一双膜结构，开展成果转化：一是开发出可应用的大型器件，与现有分离器组件结合；二是对接应用场景，找到符合的产业项目。

  实验证明，这个双膜分离系统能够大范围的应用于不一样的水包油和油包水乳液体系。

  “该技术使用的膜材料也最简单，产业化前景可观。其中用到的亲水膜，是课题组2014年研发出来的。”杨皓程说，按照4毫米狭缝的设计，课题组还开发了一套多级分离器件原型机，预计明年，他们就能轻松实现这一技术与现有膜组件的结合，有望用于实际的工业场景。