浙江大学徐志康团队成果，登上Science！

鉴于此，浙江大学徐志康教授、张超教授以及杨皓程教授提出了一种膜 Janus 通道 (JCM)，其特点是由一对亲水膜和疏水膜构成的密闭结构，可以同时高效地从表面活性剂稳定的乳液中回收油和水。密闭的 Janus 通道可以通过涉及富集和破乳的反馈回路放大膜对的相互作用。JCM 实现了高达 97% 和 75% 的出色油和水回收率，纯度接近 99.9%。此外，它在处理各种乳液方面的多功能性可以使一系列分离的液体排放接近零。相关研究成果以题为“Janus channel of membranes enables concurrent oil and water recovery from emulsions”上。

【JCM设计】

图1所示的Janus通道膜(JCM)装置提供了一种新颖的设计，它结合了亲水膜和疏水膜，以提高从表面活性剂稳定乳液中回收油和水的效率。这种密闭结构，膜之间的距离减小到只有几毫米，有利于乳液的聚结，从而提高分离效率。JCM通过将乳液输送到由这两种不同类型的膜创建的通道中来运行。亲水膜旨在允许水渗透，而疏水膜则选择性地吸引和引导油。这种配置对于提高分离的油和水的回收率和纯度特别有效。

图 1. JCM设计

关键设计元素表明（图2），缩小JCM的通道宽度会加剧乳液的局部富集，从而提高液滴之间的碰撞率。这种更高的碰撞率对于聚结至关重要，可进一步帮助分离过程。有限的通道宽度不仅促进富集，而且影响JCM内的流体动力学。模拟结果如图2D所示，表明较窄的通道通过聚焦乳液流来提高液滴碰撞的可能性。相比之下，更宽的通道允许更混乱的流动模式，从而降低液滴密度和碰撞频率。例如，将通道从125毫米缩小到4毫米可显著提高油回收率从5%提高到97%，水回收率从19%提高到75%，证明了密闭通道对分离性能的影响。

图 2. JCM宽度的影响与背后的机理

【膜对的作用】

作者探讨了JCM中亲水膜和疏水膜的互补作用（图3），并将它们与两种替代配置进行了比较：单侧疏水通道(UBC)和单侧亲水通道(UIC)。在JCM配置中，乳液经历三个主要阶段：水渗透、乳液液滴碰撞和聚结以及破乳。水迅速渗透亲水膜，形成乳液液滴浓度，这些液滴在疏水膜侧碰撞和聚结，从而促进有效的油捕获。相比之下，UBC和UIC配置将采收限制为油或水，具体取决于所使用的单一膜类型。疏水通道(UBC)主要针对采油，但难以渗透水，而亲水通道(UIC)专注于水，但不能有效管理采油。相比之下，JCM配置即使在处理具有挑战性的乳化液时也能实现较高的油和水回收率。这种效率归功于两种膜的协同作用，这增强了系统处理高浓度表面活性剂稳定乳化液的能力，这一性能反映在不同表面活性剂浓度下的回收率稳定性上。

图 3. JCM，UBC以及UIC的比较

【JCM 内的反馈回路】

JCM的一个关键特性是其反馈回路（如图4所示），该回路允许连续运行而不会显著降低分离效率。传统膜系统由于某一相的积累而面临浓度极化，这会阻碍连续回收。然而，在JCM中，水渗透和油去除之间的相互作用产生了一种平衡，从而减少了极化效应。当水渗透过亲水膜时，它会驱动油滴的富集和聚结，随后被疏水膜去除。这种自我调节循环可保持一致的油水回收率。反馈回路还使JCM能够自我调节系统内的油含量，最初增加，然后在分离稳定后减少。这种调节在通道内油含量和液滴大小的动态变化中显而易见。图4C中的荧光监测直观地捕捉到了JCM中快速的乳化分解和油去除，而UBC和UIC系统中则没有这种情况。随着时间的推移，平均液滴尺寸首先增加，表明液滴聚结，然后随着JCM系统达到稳定而减小，从而确保较高的分离效率。

图 4. JCM的反馈环

【适用性评估】

图5分析了JCM在处理不同类型的油和表面活性剂方面的多功能性。其设计适用于油包水和水包油乳液，使其适用于各种工业应用。两个阶段的回收率取决于油的粘度，因为较高的粘度会导致膜孔堵塞，特别是在亲水膜中，从而影响水的渗透性。表面活性剂的表面电荷也会影响JCM的性能。阴离子表面活性剂（如十二烷基硫酸钠(SDS)）通过最大限度地减少亲水膜上的粘附来提高水的回收率，而阳离子表面活性剂会因污垢增加而降低回收率。但是，通过选择合适的膜类型，JCM可对各种乳液保持高效率。值得注意的是，它还可以分离油含量高的乳液（体积含量高达40%），这对于传统的单膜系统来说是一个挑战。这种适应性凸显了JCM在工业规模应用和零液体排放系统方面的潜力。

图 5. JCM的应用评估

【总结】

JCM提供了一种变革性的解决方案，可从复杂的表面活性剂稳定乳液中同时回收油和水。通过利用密闭通道内亲水膜和疏水膜的独特作用，JCM可实现两个阶段的高回收率和纯度。其集成的反馈回路进一步提高了操作稳定性，确保持续回收，并将因浓度极化导致的性能下降降至最低。这种膜技术有望实现零液体排放工艺，并提供了一种管理含油废水的可持续方法。JCM的模块化设计还表明其可扩展性可用于更大规模的操作，可能会彻底改变生产含油废水的行业的乳液分离。