浙江大學(xué)開發(fā)出狹縫寬度為4毫米的分離系統(tǒng)

雙膜留出一道縫 油水分離效率高

石油、冶金、食品、制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量的含油廢水。其中，添加乳化劑的油水乳液，是一種相對穩(wěn)定的油水混合物，在后續(xù)處理時(shí)尤為棘手，直接排放既污染環(huán)境又浪費(fèi)資源。

如何高效、同步回收穩(wěn)定乳液中的油和水？浙江大學(xué)聚合物分離膜及其表界面工程課題組研究發(fā)現(xiàn)，讓油水乳液從親水膜和疏水膜形成的狹縫中通過，即可同步分離油和水。

在此基礎(chǔ)上，該課題組開發(fā)出狹縫為4毫米的分離系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油水回收效率分別達(dá)97%和75%。相關(guān)研究論文近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

4毫米狹縫大有用處

油水乳液，主要分為水包油和油包水兩種類型。迄今為止，較為成熟的油水乳液分離技術(shù)包括化學(xué)絮凝、電聚結(jié)與離心分離等。此外，許多研究也聚焦于開發(fā)各種各樣的分離膜材料及膜分離技術(shù)。

該課題組成員、浙江大學(xué)百人計(jì)劃研究員楊皓程告訴記者，現(xiàn)有分離方法通常只能分離出乳液中的部分油相或部分水相，剩余廢液仍需進(jìn)一步處理或被直接排放。

浙江大學(xué)聚合物分離膜及其表界面工程課題組由浙江大學(xué)教授徐志康創(chuàng)立，二十多年來，通過分離膜表面工程技術(shù)，研發(fā)了一系列超親水的分離膜材料，可從水包油乳液中選擇性地分離水相。

2020年，該課題組研發(fā)出一種表面性質(zhì)迥異、一面親水一面疏水的非對稱多孔膜，能夠?qū)崿F(xiàn)水包油乳液中分散油滴的捕獲與分離。徐志康介紹，團(tuán)隊(duì)以往的研究只能實(shí)現(xiàn)有水乳液中單一組分的分離。隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累和研究的深入，團(tuán)隊(duì)成員提出，是否可以嘗試用一張親水膜和一張疏水膜共同組成雙向水油分離系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水、油同步分離？

通過大量實(shí)驗(yàn)，該課題組發(fā)現(xiàn)，在親水膜和疏水膜所共同組成的狹縫空間中分離水包油乳液時(shí)，當(dāng)狹縫寬度較大，親水膜和疏水膜之間互不干涉，分離效率低。當(dāng)狹縫寬度從100毫米以上逐步縮至4毫米時(shí)，分離效果發(fā)生了質(zhì)變：疏水側(cè)的油回收率從5%大幅提升至97%，親水側(cè)的水回收率也從19%提高至75%。

“基于親水膜、疏水膜組成的限域空間狹縫實(shí)現(xiàn)水油雙向同步分離，對于膜科學(xué)領(lǐng)域而言，是分離概念和器件的重大突破與創(chuàng)新。”徐志康說。

微觀視角下探明原理

雖然利用兩張膜留出的縫隙就能達(dá)到油水分離的效果，但其背后的原理仍待探尋。該課題組分析了狹縫分離油水的作用機(jī)理。他們發(fā)現(xiàn)，隨著親水膜和疏水膜間距不斷縮小，狹縫的“擠壓”作用對乳滴的破乳、分離發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

“以分離水包油乳液為例，油滴在乳液中就像一個(gè)個(gè)小球似的分散在水里，在乳化劑的包裹下形成乳滴。”楊皓程解釋說，乳滴越小，越穩(wěn)定，越難分離。乳液通過兩張膜的縫隙時(shí)，水在親水膜一側(cè)被導(dǎo)出，乳滴的局部濃度迅速增加；同時(shí)，縫隙由寬變窄，會進(jìn)一步提升其中油滴的碰撞概率。在碰撞過程中，小乳滴會逐漸聚并，成為大乳滴，從而更容易被疏水膜捕獲。被捕獲之后，大乳滴會破裂，其中的油被導(dǎo)到疏水膜外側(cè)，完成分離。

在親水膜與疏水膜的協(xié)同作用下，乳液的“濃縮—聚并—破乳—分離”過程得到顯著強(qiáng)化，形成一種積極的“正向反饋機(jī)制”。

該課題組還分別構(gòu)建了僅具有單側(cè)親水膜或單側(cè)疏水膜的狹縫，發(fā)現(xiàn)盡管狹縫的“擠壓”能夠增強(qiáng)單一親水膜或疏水膜的分離效率，但其油水回收率仍顯著低于同時(shí)存在親水膜與疏水膜的狹縫。

“4毫米其實(shí)是目前器件加工的極限，不是這個(gè)雙膜結(jié)構(gòu)的極限。”楊皓程告訴記者，狹縫的寬度會影響器件入口的力學(xué)強(qiáng)度，也會導(dǎo)致內(nèi)部阻力的變化。他介紹，從理論上來講，在乳液能通過的前提下，狹縫尺寸越小越好。

現(xiàn)階段，課題組已經(jīng)突破了更狹窄通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)瓶頸，相比4毫米的狹縫，油水分離比例相近且速度更快。

新器件應(yīng)用前景可觀

該課題組開發(fā)雙膜分離系統(tǒng)最初是為解決化工產(chǎn)業(yè)中含油廢水的處理問題。然而這項(xiàng)技術(shù)油的應(yīng)用場景遠(yuǎn)不止于此，它在食品加工等行業(yè)也極具應(yīng)用潛力。

“比如食品或藥品生產(chǎn)過程中高值油性產(chǎn)品的提煉，也非常需要這項(xiàng)技術(shù)。”徐志康說，論文發(fā)表后，已有幾家企業(yè)來與課題組對接交流。目前，該課題組已準(zhǔn)備基于這一雙膜結(jié)構(gòu)，開展成果轉(zhuǎn)化：一是開發(fā)出可應(yīng)用的大型器件，與現(xiàn)有分離器組件結(jié)合；二是對接應(yīng)用場景，找到適合的產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)證明，這個(gè)雙膜分離系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用于不同類型的水包油和油包水乳液體系。

“該技術(shù)使用的膜材料也比較簡單，產(chǎn)業(yè)化前景可觀。其中用到的親水膜，是課題組2014年研發(fā)出來的。”楊皓程說，按照4毫米狹縫的設(shè)計(jì)，課題組還開發(fā)了一套多級分離器件原型機(jī)，預(yù)計(jì)明年，他們就可以實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)與現(xiàn)有膜組件的結(jié)合，有望用于實(shí)際的工業(yè)場景。（洪恒飛 查蒙 記者 江耘）

(責(zé)編：郝孟佳、李昉)