文献解读‖Chem. Eng. J. 两性微/纳米纤维耦合织物的设计，用于超快速，精确和强大的去除油中的水滴
1. 研究背景及领域挑战
油类(如燃料或润滑油)在经济和工业的可持续发展中发挥着不可或缺的重要作用。然而，随着石化工业的快速发展和人口的快速增长，石油污染问题日益严重。水是石油中特别常见的污染源，它可以以三种形式出现:溶解水、乳化水和游离水。由于油中溶解水的含量很低，因此这种形式对油的理化性质和使用性能影响不大，因此本研究不考虑。其他两种形式统称为不溶解水。当油中的溶解水达到饱和状态时，多余的水滴才会形成不溶解的水。然而，不溶水对机油的理化性质和使用性能有严重的不良影响，不仅会造成资源浪费(如机油起泡或润滑油发霉)，还会造成设备损坏(如油箱腐蚀老化、发动机异常振动、起动困难等)。此外，乳化水在静态状态下非常不稳定，随着时间的推移会自然沉淀形成自由水。因此，从受水污染的油品中去除游离水受到了广泛的关注。
近年来，工业生产中含水废油数量的增加、水泄漏的频繁以及电力废水的产生对石油应用的安全构成了重大威胁。传统的油水分离方法主要以重力式分离、离心式分离、电分离、吸附分离、气浮分离为基础，存在能耗高、维护成本高等局限性。对油和水具有相反亲和关系的特殊可湿性材料(超疏水-超亲油，超疏油-超亲水)被认为是最有前途的油水选择性分离体系。超疏水-超亲油膜已被应用于油水混合物的分离。然而，它们的分离孔容易被油堵塞，导致选择性润湿性丧失。令人鼓舞的是，超疏油-超亲水膜可以有效地驱油，避免相应的孔隙堵塞和随后的结构破坏。Yang等人首次利用聚二烯丙基二甲基氯化铵和全氟辛酸钠的协同作用，制备了具有超疏油和超亲水性的喷涂表面。随后的研究证实，实现超疏油和超亲水性的关键是表面张力的极性和分散组分。
迄今为止，大多数先前的策略涉及用聚合物和纳米颗粒直接修饰织物或海绵表面，以获得超疏油-超亲水材料。使用这些材料来解决油和水污染问题主要有两种方法：过滤和吸附。棉花、金属网和其他底物采用一层一层的浸泡处理方法，使其表面富含含氟表面活性剂修饰的纳米颗粒(如SiO2、TiO2等)，生成具有不同功能的滤型超疏油-超亲水材料。但纤维织物主要用作过滤材料，很难满足从油中特定位置去除水分的要求。除过滤材料外，研究人员还尝试使用海绵等材料作为底物来实现吸附型超疏油-超亲水体系，该体系可以在油中的固定点去除水，并具有不同的特性(如磁性、光分解等)。然而，织物和海绵中的大量孔隙很容易被改性的纳米颗粒堵塞，油也很容易渗入其中，限制了它们连续有效吸水的能力。因此，作为本研究的目标，快速、准确、可持续地从油中去除水的材料的生产仍然是一个挑战。
2. 文章详情
为了解决这些挑战，东北大学青勇权副教授团队设计并构建了一种坚固的两性微/纳米纤维耦合织物(表示为AMCF)，由超疏油-超亲水薄膜作为外层，超亲水块织物作为内层和嵌入式控制杆组成。外层充当透水和排油系统，内层可快速吸收通过外层的水滴，控制杆提供灵活精确的除水能力;这种结构实现了协同共存，增强了外层、内层和控制杠杆的作用。此外，外层确保了AMCF在恶劣的机械和化学条件下的长使用寿命。特别是AMCF的高渗透性/吸水性，有利于高效、快速、有针对性地去除油中的水滴，有效弥补了传统超疏油-超亲水材料吸水性差、耐久性有限的缺点。这种方法可以扩展到设计用于从工业油中去除或分离各种水基液滴的材料，如润滑剂、石化产品和植物油。
3. 图文解析
图1：AMCF的设计示意图。(a)外层形成过程。(b)用超疏油-超亲水皮肤包裹超亲水织物制备AMCF的工艺。(c)超疏油-超亲水皮肤的润湿性及润湿机理。(d)超亲水性织物的高吸水性。
图2：外层表面的形貌。(a)原始脱脂棉和(b)不同倍率下的外层表面的典型SEM图像。(c)主要元素C、F、Si、O、N在外层表面的元素映射。
图3：外层表面的粗糙度和成分。(a)原始脱脂棉花和(b)外层表面激光共焦点扫描显微镜图像。(c)原脱脂棉、壳聚糖脱脂棉和外层的FTIR光谱。(d)外表面XPS光谱，(e)C1s和(f) N1s高分辨率XPS光谱。
图4：机械和环境稳健性。(a)油接触角和滑动角随外层表面机械磨损长度的变化。(b)胶带剥离次数、(c)超声振动处理时间、(d)牙刷清洗次数、(e)紫外线照射时间、(f)冷冻时间、(g)不同热处理温度对外表面油接触角和滑动角的影响。(h)照片显示，经过弯曲、揉捏和扭转试验后，外层的植物油(黄色)、正十六烷(绿色)和真空泵油(无色)呈球形。(1)挤压循环对内层材料饱和吸水能力和吸水率的影响。
图5：外层的超疏油-超亲水性机理。超疏油-超亲水机理示意图(a)在空气中，(b)在油下。作为重油的二氯甲烷是透明的，作为轻油的植物油是黄色的，水被染成蓝色。(c)重油中的水(1ml)浮在表面，1s后被AMCF完全吸收，而(d)轻油中的水(3ml)浸没在油中，2s后完全吸收。
图6：模拟AMCF的应用场景。(a-c)模拟三个燃料箱:汽油(正十六烷)(绿色)、设备润滑油(无色)、植物油;水是蓝色的。(d) AMCF吸收不同体积水滴所需的时间。(e-i)将150 mL水(蓝色)和100 mL植物油倒入分离装置后，将150 mL水收集到设备下方的锥形烧瓶中，瓶内未观察到明显的油存在。
图7：吸水特性。(a) AMCF与羟基/氨基木浆棉吸水性能的比较;两次试验的尺寸均为6.4 cm3。(b) AMCF吸附动力学图。(c)干燥-吸水饱和-挤压排水-烘干-干燥循环方案。(d)循环10次后AMCF的优异的保油效率和饱和吸水率示意图。
1. 结论
综上所述，我们提出了一种简单的策略来成功制备AMCF，该AMCF包含通过两步改性获得的织物外层，氨基/羟基化木浆棉层和便携式操作杆。由于其特殊的结构，AMCF可以结合过滤型和吸附型油水分离材料的优点，实现对油中混水的快速、准确、高效的去除。外层分离通量达33,792 L·h-1·m-2;AMCF在不同外部环境下优异的耐久性为超疏油-超亲水体系的发展提供了基础。增加的控制杆使AMCF在特殊环境(如油箱)中的应用成为可能。本文提出的新型耦合结构可以大大提高这些材料的机械耐久性，并在多次使用后保持其超润湿性。因此，本工作不仅报道了具有优异性能的超疏油-超亲水材料，而且还引入了一种新的结构概念，可以轻松稳定地应用于盒子和水箱等小空间。我们的研究结果可能为在相关应用中设计易于操作的油水分离材料或装置开辟新的途径。
1. 研究背景及领域挑战
油类(如燃料或润滑油)在经济和工业的可持续发展中发挥着不可或缺的重要作用。然而，随着石化工业的快速发展和人口的快速增长，石油污染问题日益严重。水是石油中特别常见的污染源，它可以以三种形式出现:溶解水、乳化水和游离水。由于油中溶解水的含量很低，因此这种形式对油的理化性质和使用性能影响不大，因此本研究不考虑。其他两种形式统称为不溶解水。当油中的溶解水达到饱和状态时，多余的水滴才会形成不溶解的水。然而，不溶水对机油的理化性质和使用性能有严重的不良影响，不仅会造成资源浪费(如机油起泡或润滑油发霉)，还会造成设备损坏(如油箱腐蚀老化、发动机异常振动、起动困难等)。此外，乳化水在静态状态下非常不稳定，随着时间的推移会自然沉淀形成自由水。因此，从受水污染的油品中去除游离水受到了广泛的关注。
近年来，工业生产中含水废油数量的增加、水泄漏的频繁以及电力废水的产生对石油应用的安全构成了重大威胁。传统的油水分离方法主要以重力式分离、离心式分离、电分离、吸附分离、气浮分离为基础，存在能耗高、维护成本高等局限性。对油和水具有相反亲和关系的特殊可湿性材料(超疏水-超亲油，超疏油-超亲水)被认为是最有前途的油水选择性分离体系。超疏水-超亲油膜已被应用于油水混合物的分离。然而，它们的分离孔容易被油堵塞，导致选择性润湿性丧失。令人鼓舞的是，超疏油-超亲水膜可以有效地驱油，避免相应的孔隙堵塞和随后的结构破坏。Yang等人首次利用聚二烯丙基二甲基氯化铵和全氟辛酸钠的协同作用，制备了具有超疏油和超亲水性的喷涂表面。随后的研究证实，实现超疏油和超亲水性的关键是表面张力的极性和分散组分。
迄今为止，大多数先前的策略涉及用聚合物和纳米颗粒直接修饰织物或海绵表面，以获得超疏油-超亲水材料。使用这些材料来解决油和水污染问题主要有两种方法：过滤和吸附。棉花、金属网和其他底物采用一层一层的浸泡处理方法，使其表面富含含氟表面活性剂修饰的纳米颗粒(如SiO2、TiO2等)，生成具有不同功能的滤型超疏油-超亲水材料。但纤维织物主要用作过滤材料，很难满足从油中特定位置去除水分的要求。除过滤材料外，研究人员还尝试使用海绵等材料作为底物来实现吸附型超疏油-超亲水体系，该体系可以在油中的固定点去除水，并具有不同的特性(如磁性、光分解等)。然而，织物和海绵中的大量孔隙很容易被改性的纳米颗粒堵塞，油也很容易渗入其中，限制了它们连续有效吸水的能力。因此，作为本研究的目标，快速、准确、可持续地从油中去除水的材料的生产仍然是一个挑战。
2. 文章详情
为了解决这些挑战，东北大学青勇权副教授团队设计并构建了一种坚固的两性微/纳米纤维耦合织物(表示为AMCF)，由超疏油-超亲水薄膜作为外层，超亲水块织物作为内层和嵌入式控制杆组成。外层充当透水和排油系统，内层可快速吸收通过外层的水滴，控制杆提供灵活精确的除水能力;这种结构实现了协同共存，增强了外层、内层和控制杠杆的作用。此外，外层确保了AMCF在恶劣的机械和化学条件下的长使用寿命。特别是AMCF的高渗透性/吸水性，有利于高效、快速、有针对性地去除油中的水滴，有效弥补了传统超疏油-超亲水材料吸水性差、耐久性有限的缺点。这种方法可以扩展到设计用于从工业油中去除或分离各种水基液滴的材料，如润滑剂、石化产品和植物油。
3. 图文解析
图1：AMCF的设计示意图。(a)外层形成过程。(b)用超疏油-超亲水皮肤包裹超亲水织物制备AMCF的工艺。(c)超疏油-超亲水皮肤的润湿性及润湿机理。(d)超亲水性织物的高吸水性。
图2：外层表面的形貌。(a)原始脱脂棉和(b)不同倍率下的外层表面的典型SEM图像。(c)主要元素C、F、Si、O、N在外层表面的元素映射。
图3：外层表面的粗糙度和成分。(a)原始脱脂棉花和(b)外层表面激光共焦点扫描显微镜图像。(c)原脱脂棉、壳聚糖脱脂棉和外层的FTIR光谱。(d)外表面XPS光谱，(e)C1s和(f) N1s高分辨率XPS光谱。
图4：机械和环境稳健性。(a)油接触角和滑动角随外层表面机械磨损长度的变化。(b)胶带剥离次数、(c)超声振动处理时间、(d)牙刷清洗次数、(e)紫外线照射时间、(f)冷冻时间、(g)不同热处理温度对外表面油接触角和滑动角的影响。(h)照片显示，经过弯曲、揉捏和扭转试验后，外层的植物油(黄色)、正十六烷(绿色)和真空泵油(无色)呈球形。(1)挤压循环对内层材料饱和吸水能力和吸水率的影响。
图5：外层的超疏油-超亲水性机理。超疏油-超亲水机理示意图(a)在空气中，(b)在油下。作为重油的二氯甲烷是透明的，作为轻油的植物油是黄色的，水被染成蓝色。(c)重油中的水(1ml)浮在表面，1s后被AMCF完全吸收，而(d)轻油中的水(3ml)浸没在油中，2s后完全吸收。
图6：模拟AMCF的应用场景。(a-c)模拟三个燃料箱:汽油(正十六烷)(绿色)、设备润滑油(无色)、植物油;水是蓝色的。(d) AMCF吸收不同体积水滴所需的时间。(e-i)将150 mL水(蓝色)和100 mL植物油倒入分离装置后，将150 mL水收集到设备下方的锥形烧瓶中，瓶内未观察到明显的油存在。
图7：吸水特性。(a) AMCF与羟基/氨基木浆棉吸水性能的比较;两次试验的尺寸均为6.4 cm3。(b) AMCF吸附动力学图。(c)干燥-吸水饱和-挤压排水-烘干-干燥循环方案。(d)循环10次后AMCF的优异的保油效率和饱和吸水率示意图。
1. 结论
综上所述，我们提出了一种简单的策略来成功制备AMCF，该AMCF包含通过两步改性获得的织物外层，氨基/羟基化木浆棉层和便携式操作杆。由于其特殊的结构，AMCF可以结合过滤型和吸附型油水分离材料的优点，实现对油中混水的快速、准确、高效的去除。外层分离通量达33,792 L·h-1·m-2;AMCF在不同外部环境下优异的耐久性为超疏油-超亲水体系的发展提供了基础。增加的控制杆使AMCF在特殊环境(如油箱)中的应用成为可能。本文提出的新型耦合结构可以大大提高这些材料的机械耐久性，并在多次使用后保持其超润湿性。因此，本工作不仅报道了具有优异性能的超疏油-超亲水材料，而且还引入了一种新的结构概念，可以轻松稳定地应用于盒子和水箱等小空间。我们的研究结果可能为在相关应用中设计易于操作的油水分离材料或装置开辟新的途径。
