马军院士研究团队在可生物降解油水分离膜研究领域取得新进展

近日,实验室马军院士团队通过静电纺丝技术获得可生物降解的超亲水纳米纤维油水分离膜,突破了传统聚合物分离膜废弃后二次污染的瓶颈.相关论文以《用于超快油水分离的可生物降解静电纺丝超亲水纳米纤维膜》(Biodegradable Electrospinning Superhydrophilic Nanofiber Membranes for Ultrafast Oil-water Separation)为题发表在《科学进展》(Science Advances)期刊上.

海上原油泄漏和工业含油废液排放对生态系统和人类健康构成重大威胁,并严重破坏全球水-食物-能源链条.基于超亲水膜的分离技术是实现油水分离的有效措施,且已广泛应用于含油废水的处理工艺.其分离原理主要依靠材料具有超亲水性,水可以顺利通过材料内部的孔隙结构,在材料表面形成水化层,防止油通过.微孔和高比表面积所产生的毛细力可以产生破乳作用,有利于乳液与水分离.然而,现有的油水分离膜虽然能够实现含油废水的有效净化,但超亲水膜材料大多来源于化石资源,膜废料常被掩埋或焚烧,产生二次污染,不利于生态环境的可持续发展.

针对此难题,该团队提出一种可按需生物降解的超亲水膜静电纺丝策略,制备出环境友好的超亲水聚乳酸纳米纤维膜,对含有表面活性剂的水包油乳液有着优异的分离性能.该膜对水包正辛烷乳液呈现出2.1×104L(m2·h·bar)渗透通量,分离效率高于99.6%,将聚乳酸生物降解为乳酸的速率提高30%以上.该项策略使聚乳酸和聚氧化乙烯水凝胶形成交联结构,通过控制静电纺丝参数并设计非对称结构,得到了高渗透通量、高分离效率且可生物降解的超亲水聚乳酸纳米纤维膜.同时,聚氧化乙烯水凝胶的引入使膜表面与水分子之间形成的氢键数量增加了357.6 %,促进了聚乳酸疏水膜转化为超亲水膜,防止了膜污染并加速了乳化液通过膜的渗透.该种膜在使用条件下性能稳定,在蛋白酶K处理下1周内可实现生物降解.该研究中所提出的新策略为聚合物油水分离膜的制备提供新思路,具有广阔的应用前景.

哈工大为该论文唯一通讯单位.实验室程喜全特聘教授为论文第一作者,实验室马军院士、邵路教授和程喜全特聘教授为论文共同通讯作者.哈工大威海校区学生李童语、焦阳也参与了相关研究工作.

该研究工作获得国家自然科学基金、黑龙江省杰出青年科学基金、黑龙江省头雁团队原创探索基金、城市水资源与水环境国家重点实验室等资助.