石油、冶金、食品、制药等工业生产过程会产生大量的含油废水。其中，乳化剂稳定的油水乳液在后续处理时最为棘手。乳液的排放不仅会对环境造成污染，也会造成资源的浪费。因此，在绿色、可持续发展的背景下，如何高效、同步回收稳定乳液中的油和水，成为分离科学与技术领域近百年来亟待攻克的一大难题。
浙江大学教授徐志康，百人计划研究员杨皓程、张超所在的聚合物分离膜及其表界面工程团队突破传统膜分离范式，提出了一种基于亲水膜/疏水膜组成的限域空间狭缝(Janus Channel of Membranes, JCM)的新概念与原型器件，从而发展了一类简单且高效的油水乳液同步分离技术，成功实现了97%的油回收和75%的水回收。相关研究成果以“Janus Channel of Membranes Enables Concurrent Oil and Water Recovery from Emulsions”为题，发表于《科学》。
油水乳液是一种相对稳定的油水混合物，主要分为水包油和油包水两种类型。要将油水乳液中的油相和水相同步高效分离尤为困难。迄今为止，较为成熟的油水乳液分离技术包括化学絮凝、电聚结与离心分离等，此外，许多研究也聚焦于开发各种各样的分离膜材料及膜分离技术。
然而，这些方法通常只能分离出乳液中的部分油相或部分水相，剩余废液仍需进一步处理或被直接排放，距离实现“零液排放”与资源全回收的可持续发展目标仍有很大的差距。
徐志康教授团队在聚合物分离膜及其表界面工程领域深耕二十余年，通过分离膜表面工程技术，研发了一系列超亲水的分离膜材料，可从水包油乳液中选择性地分离水相。同时，他们也研发出一种表面性质迥异、一面亲水一面疏水的“两面神”非对称多孔膜，能够实现水包油乳液中分散油滴的捕获与分离。
然而，上述研究仍只能实现有水乳液中单一组分的分离。随着实践经验的积累和研究的不断深入，团队成员创新性提出，是否可以尝试用一张亲水膜和一张疏水膜共同组成双向水油分离系统，实现水、油同步分离？
通过大量实验，团队发现，在亲水膜和疏水膜所共同组成的狭缝空间中分离水包油乳液时，当狭缝宽度较大，亲水膜和疏水膜之间互不干涉，分离效率低。但是，当狭缝宽度从100mm以上逐步缩小至4mm时，水、油回收效率发生了质的飞跃。疏水侧的油回收率从5%大幅提升至97%，亲水侧的水回收率也从19%提高至75%。
“基于亲水膜/疏水膜组成的限域空间狭缝实现水油双向同步分离，对于膜科学领域而言，是分离概念和器件的重大突破与创新。”徐志康说。
为进一步探究狭缝的作用机理，团队发现，随着亲水膜和疏水膜间距不断缩小，狭缝的“挤压”作用在乳滴破乳分离中发挥了关键作用。
以分离水包油乳液为例，在狭小空间内，随着水在亲水膜一侧的导出，料液中乳滴的局部浓度迅速增加，同时狭窄空间进一步提升了乳滴的碰撞概率。二者协同作用使乳液的“浓缩-聚并-破乳-分离”过程得到了显著强化。
那么，亲水膜与疏水膜对分离过程起着怎么样的作用呢？
团队分别构建了仅具有单侧亲水膜或单侧疏水膜的狭缝，发现尽管狭缝的“挤压”能够增强单一亲水膜或疏水膜的分离效率，但其油水回收率仍显著低于同时存在亲水膜与疏水膜的狭缝。特别是在乳化剂含量较高时，虽然三种狭缝的水、油回收率均有所下降，但相较于单一膜构建的狭缝，亲水/疏水双膜狭缝的水、油回收率降幅较小，展现出其处理稳定乳液的显著优势。
值得一提的是，团队意外发现分离过程中，亲水膜移除水相导致乳液浓度增加，促进了乳滴的碰撞、聚并和破乳，提升了油相的渗透通量。与此同时，油相的持续移除又有助于降低膜表面的乳液浓度，进而减轻了因浓差极化现象对亲水膜渗透通量的抑制作用。该过程中形成了一种积极的“正向反馈机制”，使得同步分离效率大幅提高。
“这个系统用到的膜材料简单，分离高效，能够广泛应用于不同类型的水包油和油包水乳液体系。”杨皓程介绍，当亲水膜的表面电荷与乳化剂的荷电性一致时，膜的抗污染性能得到显著提升，从而表现出更高的分离效率。
“表面界面连枝花，油水分离不离她；亲水疏水膜狭缝，弦歌不辍灼芳华。”徐志康表示，这项研究是团队多年沉淀后的又一重大发现，在环境保护、资源回收等多个领域都具有非常广阔的应用前景，团队成员将继续深入研究，推动技术进步和落地转化。
该论文的第一作者为浙江大学高分子科学与工程学系2022级硕博连读生郭馨宇，杨皓程、张超、徐志康为共同通讯作者。大连理工大学副教授赵磊协助计算了液滴的碰撞概率，浙江大学高分子科学与工程学系百人计划研究员梁洪卿和化学系教授吴健参与器件的设计与课题讨论，浙江大学高分子科学与工程学系博士后李浩南参与了实验的设计。该项工作得到了国家自然科学基金委-浙江省区域创新联合基金、国家重点研发计划和广东省自然科学基金的资助。
文字记者：查蒙
摄影记者：高兴就好
今日编辑：浙江大学融媒体中心学生记者团 傅航颖
责任编辑：杨哲青 周亦颖
