随着石油需求的增加以及工业的发展，工业和家庭排放大量油水混合物，其中包含地沟油（地沟油是指烹调后废弃食用油脂，污染环境和危害食品安全。对其的绿色化处理过程主要包含两个部分：预处理（油水分离、过滤除杂及脱臭）、分级过滤）。尽管可以使用商业技术（例如重力分离，离心和过滤）分离不混溶的油/水混合物，但表面活性剂稳定的乳液中的油滴（10-50μm）很难分离。众多研究人员采用众多破乳技术（化学、电学等）以及使用金属、聚合物衬底制备超疏水膜或超亲水性和水下超疏油膜，这些功能膜在选择性渗透的基础上用于分离油水。然而，这些具有以下缺点：
1. 超疏水膜的亲油性质，极易被油污染，限制了其实际应用。
2. 生产过程中形成有毒物质，产品降解率低，破坏环境和危害健康。
3. 传统破乳技术分离效率低、过程复杂、成本高的缺陷及产品制备过程中的污染问题。
为了解决这一问题，韩国浦项科技大学Woonbong Hwang教授开发出一种绿色功能膜材料，以“Wood-Nanotechnology-Based Membrane for the Efficient Purification of Oil-in-Water Emulsions”为名，发表在国际期刊ACS NANO上。
【制备与微观形貌】
研究人员以巴尔杉木板为原料，在碱环境去除木质素，加入过氧化氢辅助去除疏水性和刚性木质素和半纤维素组分，保留柔软和亲水性纤维素组分。经过化学处理后，淡棕色的天然木材变成白色，且其切面出现微孔（直径＜10μm）。
图1. 制备示意图及微观形貌照片
【力学性能】
由于含有大量的刚性木质素，天然木材在弯曲时很容易折断，刚性木质素的去除可以提高木材膜的柔韧性。因此，该木膜可以折叠、大弯曲以及轧制，通过对比处理前后材料的力学性质，发现化学处理木膜的柔韧性得到了极大的改善，经过后续处理后，木材膜在切向上的强度也得到了一定的提升。
图2. 原始木材和木膜的力学性能
【润湿性】
疏水性木质素的去除赋予了木膜超吸水性（2.7s），远大于普通木材（9s）。木材膜的高孔隙率赋予了其高保水能力，木膜的水容量可以达到232.0%（天然木材仅为148.3%）。即使在油中，木膜仍具有超亲水性，这是由于油的表面张力远低于水的表面张力。虽然干燥的木膜可以吸收油滴，但是将其浸泡在水中时，膜的表面会形成高拒油性能水化层，强行分离附着在膜表面的油滴，这表明，该木膜具有良好的吸水性能和水下抗油性能。此外研究人员发现该膜对各种油(包括柴油、汽油、己烷和甲苯)均具备超疏油特性，水下油接触角均为150°。对木膜表面进行长时间磨损并将其浸泡在酸性和碱性溶液中，对膜的湿润特性进行评估，发现磨损后的木膜的水中接触角可以达到0°，水下油接触角可以达到159.4°。木膜也具有化学耐久性，在pH值为3-11的溶液中浸泡168 h后，其润湿特性仍能保持。浸泡后，膜仍保持其超亲水性和水下超疏油性。此外，木膜在冷热水(5℃ - 85℃)浸泡168 h后仍保持其选择性润湿性。经测试，水接触角为0°，水下油接触角均在150°以上。这些结果突出了木膜的机械和化学耐久性，这使得它能够在恶劣的环境中使用。除了耐用性，该膜在高腐蚀性环境中也很稳定，包括酸性、碱性和盐溶液，选择湿润性基本稳定。为了证明这一点，研究人员在不同pH值和NaCl浓度的溶液中测量了油接触角。将木膜完全浸入pH值为3-9的溶液中，接触角均超过150°。
图3. 腐蚀环境下木膜的机械耐用性、稳定性及润湿性能
【乳液分离】
超亲水性可以在木膜表面形成水化层，使其具有水下超疏油性能。木膜的微孔（直径＜10μm）及膜的选择性润湿特性使其具有选择渗透性。因此，大于孔的油滴不能通过多孔膜只能在膜表面形成滤饼，而水则很容易通过木质膜。此外，即使油滴比膜孔小，所形成的滤饼也能防止油滴通过膜。因此，实验人员对在表面活性剂稳定的水包油乳液中获得了干净的水。在过滤过程中，大部分油滴被滤饼阻止通过膜，滤液中看不到的油滴。为了进一步验证木膜的乳液分离性能，研究人员对木膜的分离效率和过滤通量进行了测定，发现其分离效率可达到99.43%、过滤通量可达到460.8 L m−2h−1。这种优异的分离性能源于木膜良好的湿润性和抗油性以及高孔隙结构。不过在乳化液分离过程中，由于滤饼堵塞了孔隙，过滤通量随着时间的推移而减小。由于膜的防污和自清洁能力，形成的油渍滤饼易于清洗去除，因此，只要用水清洗使用过的木膜，就可以恢复通量。
图4. 乳化液分离图
【总结】
本研究以天然高分子材料为原料，开发了一种基于木材纳米技术的绿色高孔膜。采用一种简单的自上向下的方法去除木质素和半纤维素成分，得到了一种具有超亲水性和水下超疏油性的高柔性木材膜。该膜具有以下优点：
1. 循环利用性，简单的水洗后就可以重复利用。
2. 易于制备，环保、廉价，具有较高的应用价值。
3. 适应恶劣环境（高盐、酸性和碱性），具有实际应用的巨大潜力。
食安，则民安，则心安。如何高效的进行油水分离及解决地沟油问题仍任重而道远。
文章链接：
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07206
来源：高分子科学前沿
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