隨著石油需求的增加以及工業的發展，工業和家庭排放大量油水混合物，其中包含地溝油（地溝油是指烹調後廢棄食用油脂，汙染環境和危害食品安全。對其的綠色化處理過程主要包含兩個部分：預處理（油水分離、過濾除雜及脫臭）、分級過濾）。儘管可以使用商業技術（例如重力分離，離心和過濾）分離不混溶的油/水混合物，但表面活性劑穩定的乳液中的油滴（10-50μm）很難分離。眾多研究人員採用眾多破乳技術（化學、電學等）以及使用金屬、聚合物襯底製備超疏水膜或超親水性和水下超疏油膜，這些功能膜在選擇性滲透的基礎上用於分離油水。然而，這些具有以下缺點：
1. 超疏水膜的親油性質，極易被油汙染，限制了其實際應用。
2. 生產過程中形成有毒物質，產品降解率低，破壞環境和危害健康。
3. 傳統破乳技術分離效率低、過程複雜、成本高的缺陷及產品製備過程中的汙染問題。
為了解決這一問題，韓國浦項科技大學Woonbong Hwang教授開發出一種綠色功能膜材料，以“Wood-Nanotechnology-Based Membrane for the Efficient Purification of Oil-in-Water Emulsions”為名，發表在國際期刊ACS NANO上。
【製備與微觀形貌】
研究人員以巴爾杉木板為原料，在鹼環境去除木質素，加入過氧化氫輔助去除疏水性和剛性木質素和半纖維素組分，保留柔軟和親水性纖維素組分。經過化學處理後，淡棕色的天然木材變成白色，且其切面出現微孔（直徑＜10μm）。
圖1. 製備示意圖及微觀形貌照片
【力學性能】
由於含有大量的剛性木質素，天然木材在彎曲時很容易折斷，剛性木質素的去除可以提高木材膜的柔韌性。因此，該木膜可以摺疊、大彎曲以及軋製，通過對比處理前後材料的力學性質，發現化學處理木膜的柔韌性得到了極大的改善，經過後續處理後，木材膜在切向上的強度也得到了一定的提升。
圖2. 原始木材和木膜的力學性能
【潤溼性】
疏水性木質素的去除賦予了木膜超吸水性（2.7s），遠大於普通木材（9s）。木材膜的高孔隙率賦予了其高保水能力，木膜的水容量可以達到232.0%（天然木材僅為148.3%）。即使在油中，木膜仍具有超親水性，這是由於油的表面張力遠低於水的表面張力。雖然乾燥的木膜可以吸收油滴，但是將其浸泡在水中時，膜的表面會形成高拒油性能水化層，強行分離附著在膜表面的油滴，這表明，該木膜具有良好的吸水性能和水下抗油性能。此外研究人員發現該膜對各種油(包括柴油、汽油、己烷和甲苯)均具備超疏油特性，水下油接觸角均為150°。對木膜表面進行長時間磨損並將其浸泡在酸性和鹼性溶液中，對膜的溼潤特性進行評估，發現磨損後的木膜的水中接觸角可以達到0°，水下油接觸角可以達到159.4°。木膜也具有化學耐久性，在pH值為3-11的溶液中浸泡168 h後，其潤溼特性仍能保持。浸泡後，膜仍保持其超親水性和水下超疏油性。此外，木膜在冷熱水(5℃ - 85℃)浸泡168 h後仍保持其選擇性潤溼性。經測試，水接觸角為0°，水下油接觸角均在150°以上。這些結果突出了木膜的機械和化學耐久性，這使得它能夠在惡劣的環境中使用。除了耐用性，該膜在高腐蝕性環境中也很穩定，包括酸性、鹼性和鹽溶液，選擇溼潤性基本穩定。為了證明這一點，研究人員在不同pH值和NaCl濃度的溶液中測量了油接觸角。將木膜完全浸入pH值為3-9的溶液中，接觸角均超過150°。
圖3. 腐蝕環境下木膜的機械耐用性、穩定性及潤溼性能
【乳液分離】
超親水性可以在木膜表面形成水化層，使其具有水下超疏油性能。木膜的微孔（直徑＜10μm）及膜的選擇性潤溼特性使其具有選擇滲透性。因此，大於孔的油滴不能通過多孔膜只能在膜表面形成濾餅，而水則很容易通過木質膜。此外，即使油滴比膜孔小，所形成的濾餅也能防止油滴通過膜。因此，實驗人員對在表面活性劑穩定的水包油乳液中獲得了乾淨的水。在過濾過程中，大部分油滴被濾餅阻止通過膜，濾液中看不到的油滴。為了進一步驗證木膜的乳液分離性能，研究人員對木膜的分離效率和過濾通量進行了測定，發現其分離效率可達到99.43%、過濾通量可達到460.8 L m−2h−1。這種優異的分離性能源於木膜良好的溼潤性和抗油性以及高孔隙結構。不過在乳化液分離過程中，由於濾餅堵塞了孔隙，過濾通量隨著時間的推移而減小。由於膜的防汙和自清潔能力，形成的油漬濾餅易於清洗去除，因此，只要用水清洗使用過的木膜，就可以恢復通量。
圖4. 乳化液分離圖
【總結】
本研究以天然高分子材料為原料，開發了一種基於木材納米技術的綠色高孔膜。採用一種簡單的自上向下的方法去除木質素和半纖維素成分，得到了一種具有超親水性和水下超疏油性的高柔性木材膜。該膜具有以下優點：
1. 循環利用性，簡單的水洗後就可以重複利用。
2. 易於製備，環保、廉價，具有較高的應用價值。
3. 適應惡劣環境（高鹽、酸性和鹼性），具有實際應用的巨大潛力。
食安，則民安，則心安。如何高效的進行油水分離及解決地溝油問題仍任重而道遠。
文章鏈接：
https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07206
來源：高分子科學前沿
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