文献解读‖Nano Energy. 重力驱动的超快速油水分离的3D打印膜
1. 研究背景及领域挑战
溢油事故的频繁发生和工业含油废水排放量的不断增加，给全球环境和人类健康造成了沉重的代价。因此，实现高效的油水分离是当务之急。在各种油水分离方法中，膜技术因其操作简单、分离效率高、机械灵活、易于集成等优点而受到人们的特别关注。然而，传统膜的制备和改性过程复杂，存在化学物质消耗大、环境污染大等缺点。此外，膜污染和渗透率与选择性之间的“权衡”效应仍然是膜基油水分离的两个瓶颈问题。为了克服这些限制，迫切需要开发具有高效性能(高渗透性和截留性)的环保膜来进行油水分离。
近年来，3D打印技术被应用于制备各种材料，包括新型分离膜。3D打印不仅需要很少或不需要化学加工，而且赋予膜均匀的孔径，这是膜的一个吸引人的特性。同时，3D打印可定制生产大孔径膜。大孔径本身的特性有利于实现高渗透率。此外，常用的3D打印材料ABS具有成本低、韧性高、热稳定性好、耐化学性高、环保等优点，非常适合油水分离。然而，作为一种天然疏水性高分子材料，ABS膜在油水分离过程中会发生严重的膜污染。因此，有必要通过环保的方式对ABS材料进行改性。等离子体技术被认为是工业上一种环保的材料改性方法。等离子体处理可以使材料表面具有丰富的羟基(-OH)和羧基(-COOH)基团，这对膜的防污非常有利。根据接触起电(CE)现象，带负电荷基团的电离性质和电子转移会影响膜表面的变化和水接触角值，有利于膜性能的提高。
2. 文章详情
受这些研究的启发，浙江师范大学地理与环境科学学院林红军教授团队通过等离子体处理对3D打印ABS膜进行改性，不仅可以提高膜的防污能力，还可以使膜具有高效的油水分离性能。然而，目前还没有一项研究应用等离子体修饰3D打印ABS膜来实现超高速油/水分离。在重力驱动下实现油水超快速分离的油水分离膜的研制是迫切需要的。
3. 图文解析
图1：(a)环保型3D打印ABS改性膜的制备工艺示意图。(b-d)不同孔径的膜显微图像(b, 300 × 400µm, c, 140 × 200µm, d, 120 × 120µm;I代表ABS膜。II为经等离子体处理后的ABS改性膜)。(e-j)等离子体处理不同时间(1 min、2 min、3 min、4 min、5 min)的原膜(e)和改性膜(f-j)的SEM图像。(k) ABS膜的EDS图。(l) ABS改性膜的EDS图谱。(m-p)原膜(m, n)和改性膜(o, p)的测量和C1s XPS光谱。
图2：(a)不同时间(1 min、2 min、3 min、4 min、5 min)原膜和改性膜的WCA和(b) UOCA。(c)原膜和(d)改性膜的接触起电。(e)原膜和(f)等离子体处理3 min后改性膜的防污性能(Ⅰ为带油污染膜，Ⅱ为简单冲洗后污染膜，Ⅲ为水下油动态视频截图)。(g)原膜界面处的相互作用能。(h)改性膜界面处的相互作用能。
图3：(a)原膜和(b)改性膜分离前后油水混合物分离性能的动态截图和显微镜图像。(c)不同孔径(300 ×400µm, 140 ×200µm, 120 ×120µm)下原膜和改性膜的通量和分离效率。
图4：a)改性膜对五种不同油水系统的分离效率。(b) 4个月内100次循环改性膜的循环通量和分离效率。(c)本研究与以往研究膜通量和分离效率的比较
图5：(a)原膜和(b)改性膜油水分离过程机理图。(c)原膜油水分离过程中油滴受力分析图。(d)改性膜。
1. 结论
本文报道了一种基于3D打印技术和等离子体表面处理的新策略，用于制备油水分离膜。3D打印不仅需要很少或不需要化学加工，而且可以使膜具有均匀的孔径。此外，ABS作为一种常用的3D打印材料，具有成本低、韧性高、热稳定性好、耐化学性高、环保等优点。等离子体技术是一种耗用很少或不消耗化学溶剂的环保材料改性方法，它可以使材料表面具有丰富的羟基(-OH)和羧基(-COOH)基团，有利于膜的防污。表征结果证实了所提出的策略结合了技术和ABS材料制备油水分离膜的优势。
所得膜的WCA为8.8°，UOCA为137.6°。因此，它具有优良的防污性能，这一点通过实验和XDLVO理论的仿真结果得到了证明。此外，在重力驱动下，改性膜对5种典型油水体系的分离效率超过99.60%，通量高达117304 L·m-2·h-1。此外，有趣的是，经过4个月的100次循环试验，改性膜的分离效率保持在99.40%以上。据我们所知，改性膜在很大程度上优于所有最先进的油水分离膜。用Yong-Laplace方程和Wang的接触起电理论解释了这一突出结果的机理。实验结果表明，所制备的膜具有超快的油水分离性能。
1. 研究背景及领域挑战
溢油事故的频繁发生和工业含油废水排放量的不断增加，给全球环境和人类健康造成了沉重的代价。因此，实现高效的油水分离是当务之急。在各种油水分离方法中，膜技术因其操作简单、分离效率高、机械灵活、易于集成等优点而受到人们的特别关注。然而，传统膜的制备和改性过程复杂，存在化学物质消耗大、环境污染大等缺点。此外，膜污染和渗透率与选择性之间的“权衡”效应仍然是膜基油水分离的两个瓶颈问题。为了克服这些限制，迫切需要开发具有高效性能(高渗透性和截留性)的环保膜来进行油水分离。
近年来，3D打印技术被应用于制备各种材料，包括新型分离膜。3D打印不仅需要很少或不需要化学加工，而且赋予膜均匀的孔径，这是膜的一个吸引人的特性。同时，3D打印可定制生产大孔径膜。大孔径本身的特性有利于实现高渗透率。此外，常用的3D打印材料ABS具有成本低、韧性高、热稳定性好、耐化学性高、环保等优点，非常适合油水分离。然而，作为一种天然疏水性高分子材料，ABS膜在油水分离过程中会发生严重的膜污染。因此，有必要通过环保的方式对ABS材料进行改性。等离子体技术被认为是工业上一种环保的材料改性方法。等离子体处理可以使材料表面具有丰富的羟基(-OH)和羧基(-COOH)基团，这对膜的防污非常有利。根据接触起电(CE)现象，带负电荷基团的电离性质和电子转移会影响膜表面的变化和水接触角值，有利于膜性能的提高。
2. 文章详情
受这些研究的启发，浙江师范大学地理与环境科学学院林红军教授团队通过等离子体处理对3D打印ABS膜进行改性，不仅可以提高膜的防污能力，还可以使膜具有高效的油水分离性能。然而，目前还没有一项研究应用等离子体修饰3D打印ABS膜来实现超高速油/水分离。在重力驱动下实现油水超快速分离的油水分离膜的研制是迫切需要的。
3. 图文解析
图1：(a)环保型3D打印ABS改性膜的制备工艺示意图。(b-d)不同孔径的膜显微图像(b, 300 × 400µm, c, 140 × 200µm, d, 120 × 120µm;I代表ABS膜。II为经等离子体处理后的ABS改性膜)。(e-j)等离子体处理不同时间(1 min、2 min、3 min、4 min、5 min)的原膜(e)和改性膜(f-j)的SEM图像。(k) ABS膜的EDS图。(l) ABS改性膜的EDS图谱。(m-p)原膜(m, n)和改性膜(o, p)的测量和C1s XPS光谱。
图2：(a)不同时间(1 min、2 min、3 min、4 min、5 min)原膜和改性膜的WCA和(b) UOCA。(c)原膜和(d)改性膜的接触起电。(e)原膜和(f)等离子体处理3 min后改性膜的防污性能(Ⅰ为带油污染膜，Ⅱ为简单冲洗后污染膜，Ⅲ为水下油动态视频截图)。(g)原膜界面处的相互作用能。(h)改性膜界面处的相互作用能。
图3：(a)原膜和(b)改性膜分离前后油水混合物分离性能的动态截图和显微镜图像。(c)不同孔径(300 ×400µm, 140 ×200µm, 120 ×120µm)下原膜和改性膜的通量和分离效率。
图4：a)改性膜对五种不同油水系统的分离效率。(b) 4个月内100次循环改性膜的循环通量和分离效率。(c)本研究与以往研究膜通量和分离效率的比较
图5：(a)原膜和(b)改性膜油水分离过程机理图。(c)原膜油水分离过程中油滴受力分析图。(d)改性膜。
1. 结论
本文报道了一种基于3D打印技术和等离子体表面处理的新策略，用于制备油水分离膜。3D打印不仅需要很少或不需要化学加工，而且可以使膜具有均匀的孔径。此外，ABS作为一种常用的3D打印材料，具有成本低、韧性高、热稳定性好、耐化学性高、环保等优点。等离子体技术是一种耗用很少或不消耗化学溶剂的环保材料改性方法，它可以使材料表面具有丰富的羟基(-OH)和羧基(-COOH)基团，有利于膜的防污。表征结果证实了所提出的策略结合了技术和ABS材料制备油水分离膜的优势。
所得膜的WCA为8.8°，UOCA为137.6°。因此，它具有优良的防污性能，这一点通过实验和XDLVO理论的仿真结果得到了证明。此外，在重力驱动下，改性膜对5种典型油水体系的分离效率超过99.60%，通量高达117304 L·m-2·h-1。此外，有趣的是，经过4个月的100次循环试验，改性膜的分离效率保持在99.40%以上。据我们所知，改性膜在很大程度上优于所有最先进的油水分离膜。用Yong-Laplace方程和Wang的接触起电理论解释了这一突出结果的机理。实验结果表明，所制备的膜具有超快的油水分离性能。
