基于氧化石墨烯的“两面神”型膜材料的仿生构建及其油水乳液分离性能研究

With increasing industrial oily wastewater and frequent oil spill accidents, oil-contaminated water treatment has become an urgent yet challenging problem around the world. To solve the high-efficient separation of oil-water emulsions with different dispersion states, in this project, we aim at constructing a novel graphene oxide (GO)-based Janus membrane material with asymmetric surface wettability based on the scientific understanding of asymmetric interface materials in nature. The forming mechanism, surface physicochemical properties, and integrated separation performance for oil-water emulsions of the novel Janus membrane will be systematically investigated. The GO-Janus membrane will be firstly fabricated by a facile sol–gel self-assembled process with the aid of polyethyleneimine (PEI) cross-linking agent and subsequent asymmetrical hydrophobic/oleophylic modification via a coating method. The influence rules of preparation preocesses and methods on the membrane structures (i,e, surface micro-structure and internal channel), surface chemical compositions, and suface wetting properties of the resultant GO Janus membrane will be detailed explored. We will focus on studying the effect mechanism of assembly form, variation in thickness, relative surface wettability of the Janus membrane on the oil-water emulsion separation. We will also try to reveal the scientific mechanisms of directional liquid transport and emulsion separaion in the Janus membrane. Our research findings of this project will provide the theoretical foundation for bio-inspired preparation of advanced membrane materials with high-efficient and on-demand oil/water emulsion separation properties.

随着工业含油废水日益增加和溢油事故的频繁发生，含油污水处理已成为世界范围内亟待解决的重要课题。本项目以解决不同分散状态油水乳液的高效分离为目标，基于对自然界非对称性界面材料的科学认识，仿生构建一种具有非对称表面润湿性能的氧化石墨烯（GO）基新型两面神(Janus)膜材料，并对该膜材料的形成机制、表面物理化学性能及油水乳液分离性能开展系统研究。项目拟首先通过交联剂(聚乙烯亚胺)辅助的溶胶-凝胶方法制备超亲水GO自组装膜材料，然后采用涂覆方式对超亲水GO膜进行非对称疏水/亲油改性以制得GO-Janus膜材料。详细考察制备过程与方法对膜结构（表面微结构和内部孔道）、表面组成、表面润湿性能的影响规律；探讨Janus膜的组装形式、厚度变化、相对润湿性能等对油水乳液分离的影响机制；揭示Janus膜的液体定向传输与乳液分离的作用机理，为仿生制备高效、可按需分离油水乳液的新型膜材料提供理论依据。

当前日益严峻的含油废水污染对生态环境和人类健康带来了巨大挑战，开发高性能的新型膜材料进行油水分离具有重要的实际意义。本研究受荷叶上下表面的非对称特殊润湿性启发，构建了一种新型的Janus石墨烯基气凝胶分离膜，可实现对不同种类油水乳液的高效按需分离。针对石墨烯基气凝胶的制备，探索比较了多种石墨烯宏观组装方法并优选了直接冷冻和热处理法相结合的合成策略，随后采用简单的多巴胺单侧亲水改性法制备了Janus石墨烯基气凝胶。全面考察了其形貌结构、力学性能、组成分布和非对称润湿性，并系统评估了该Janus凝胶对不同连续相的油水乳液和分层油水混合物的集成分离性能。 .SEM分析证实，在PVA的粘结辅助组装下，可促使石墨烯基凝胶产生特定分级梯度结构，即表面为小孔（孔径为~5微米），内部为贯通的类蜂窝状孔结构（孔径为~50微米），此结构有利于突破分离通量和选择性之间的制衡关系。DMA测试表明，PVA组分还可以促进GO片层的有效组装及堆叠，从而显著提高宏观凝胶的力学强度。通过对材料不同位置进行EDX分析证实PDA对石墨烯基凝胶可以实现精准的单侧亲水改性，从而可有效调控亲/疏水改性比例。利用宏观润湿性和接触角测试表明制备的J-CGPA具有典型的各向异性润湿性，即一侧为高度疏水/亲油性，而另一侧为超亲水/亲油性。更重要的是，获得的Janus凝胶通过简单翻转不同润湿性凝胶侧面，即可实现对不同连续相油水乳液（水包油/油包水乳液）或分层油水混合物的按需分离；即使在单纯重力作用下即可同时获得超高渗透通量（油相和水相最高通量分别为1453和885 L/m2/h）和优异分离效率（高于99.5 %），展现了低能耗的分离特性；此外，该Janus气凝胶还表现出理想的多次循环应用稳定性。