BBC 紀錄片曾介紹過這樣一種「從沙漠中取水」的神奇動物。在納米比亞的沙漠裡生活著一種甲蟲，它們的背部由親水型凸點和超疏水基底組成，這讓甲蟲能夠從空氣中捕捉水分。
每到清晨，納米比亞沙漠的空氣中會瀰漫著大霧，這時甲蟲周圍的水分，會被它身上的親水凸點所捕獲。
然後，水分會在甲蟲的硬殼上逐漸凝結成水珠。隨後，水珠在重力作用之下，順著甲蟲的超疏水背部流入它的嘴裡。就這樣在極度缺水的沙漠，甲蟲卻以這樣奇妙的方式獲得了飲用水。
一直以來，西北師範大學教授李健團隊秉持「師法自然」的研究理念。油水分離，則是他的研究方向之一。他曾設想：如果將沙漠甲蟲的獨特結構、與水下超疏油膜相結合，能否實現油滴捕獲並將其用於油水分離領域？
圖 | 李健（來源：李健）
他的想法最終成為了現實。前不久，在沙漠甲蟲「霧中集水」的啟發之下，他和團隊研發了一款仿沙漠甲蟲油水分離膜，其具備「水中集油的功能」。
（來源：Journal of Materials Chemistry A）
該膜由凸起的疏水 ZIF-8 親油顆粒和底層聚丙烯腈（PAN）水下超疏油材料組成。
在分離水包油乳液時，凸起的疏水/親油顆粒（ZIF-8）能夠實現「水中集油」而破乳，底層的水下超疏油膜（PAN）則對乳液起到篩分作用，在二者的協同作用下突破了傳統水下超疏油膜分離效率和通量之間的「Trade-off」效應，在提高油水乳液分離效率的同時提升了分離通量，成功地實現了各類水包油乳液甚至水包原油乳液的高效和高通量分離。
在此基礎上，課題組揭示了該油水分離膜「捕獲-聚集-分離」的強化分離機理。
（來源：Journal of Materials Chemistry A）
預計本次成果在含油廢水的深度處理及資源化利用上，具有一定的應用前景。例如，可用於處理石化行業、冶金工業、紡織工業、食品工業、城市污水、原油泄漏、船舶運輸、以及油氣開採等產生的含油廢水，並有望實現高效的分離和純化。
據了解，海上原油泄漏、以及工業含油廢水排放等導致的清潔水資源緊缺，是危及生態環境安全、制約人類社會可持續發展的世界性難題。
含油廢水的深度處理和資源化利用，對於解決水資源短缺、保護生態環境、服務節能減排、實現「雙碳」目標具有重要意義。
膜技術，作為分離和純化含油廢水的一種策略，具備高效、低能耗的顯著優勢，被認為是處理含油廢水最有效的技術之一。通過孔徑篩分、以及表面浸潤性調控，該技術可以實現油水混合物的選擇性分離。
然而，表面活性劑吸附、或油滴堵塞孔道引起的膜污染問題，仍然是含油廢水處理過程中面臨的最大挑戰之一。
表面油污染，會導致油水分離膜的通量下降、分離效率降低、以及運行能耗升高。因此，迫切需要開發分離效率高、運行穩定性強的油水分離膜，只有這樣才能實現含油廢水的深度處理和資源化利用。
曾以魚鱗為靈感研發分離材料
針對油水分離膜普遍面臨的膜污染問題，以魚鱗的自清潔效應為啟發，李健團隊從 2015 年就開始圍繞超親水/水下超疏油性的設計理念，製備了一系列分離材料比如過濾分離材料和吸附分離材料等。
其中，他們所研發的過濾分離材料，能夠實現油水乳液的成功分離。然而，美中不足的是這類材料在處理油水乳液時，當分離效率提高的時候，會導致通量出現降低。
具體來說，通過構建親水性的表面，讓水能夠通過膜的孔隙結構，並在表面形成水合層，從而阻止油滴和分離膜的接觸。
由二維材料組裝的層狀結構膜，具備超薄的膜厚度和納米孔，同時它的納米通道兼具高滲透性和高選擇性。
然而，隨著滲透通量的提升，膜表面會出現較高的法向流速，這會導致二維層狀結構薄膜的層間距縮小，進而降低滲透通量。
同時，二維薄膜層間距的縮小，會讓層間的水合層被壓縮，以至於防污性能被降低。因此，如何平衡滲透通量和防污能力，是高性能油水分離膜的研究難點。
為了解決這一問題，課題組以金屬有機框架（MOF, UiO-66-NH2）納米顆粒和二維 MXene 納米片通過介面自組裝策略構建出一種高滲透性功能膜。
（來源：Journal of Membrane Science）
通過介面自組裝的策略，即可構建這種高滲透性功能膜。詳細來說，以金屬有機框架納米顆粒打造的插層，可以擴大二維 MXene 納米片之間的層間距，從而提升滲透通量。
（來源：Journal of Membrane Science）
同時，金屬有機框架納米顆粒能對 MXene 納米片起到支撐作用，能夠避免膜表面的高法向流速對膜層產生的擠壓。
而且金屬有機框架納米顆粒還擁有優異的吸水性能和保水性能，這能讓分離膜表面、以及插層的水合層變得更加穩定，從而讓油水分離膜擁有優異的水下超疏油性能和防污性能。
此外，聚乙二醇（PEG，polyethyleneglyco）與 MXene 以及金屬有機框架之間形成的氫鍵，有助於進一步增強插層結構的穩定性，並能進一步提升功能膜的親水性。
（來源：Journal of Membrane Science）
總的來說，受益於二維 MXene 膜材料獨特的插層結構、以及金屬有機框架顆粒的親水性和保水性，讓這款油水分離膜展現出以下優勢：
其一，表面以及插層穩定的水合層，讓其擁有優異的防污能力；
其二，穩定的層間距，讓其擁有持續且穩定的高通量分離能力。
其三，其還擁有優異的化學耐久性。
憑藉這些能力它不僅可以解決二維層狀結構薄膜在滲透通量和防污能力之間相互制約的難題，也為開發高性能的油水分離膜材料提供了新思路，一定程度上解決了當前超親水/水下超疏油膜材料所面臨的膜污染問題。
最終，相關論文以《反沙漠甲蟲 ZIF-8/PAN 復合納米纖維膜用於高效分離水包油乳液》（Inverse desert beetle-like ZIF-8/PAN composite nanofibrous membrane for highly efficient separation of oil-in-water emulsions）為題發表在 Journal of Materials Chemistry A[1]，Li Haoyu 為第一作者，李健擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Journal of Membrane Science）
以《層間間距穩定、耐污染性好、可持續凈化含油廢水的高滲透性PEG/MXene@MOF膜》（High permeability PEG/MXene@MOF membrane with stable interlayer spacing and efficient fouling resistance for continuous oily wastewater purification）為題發表在 Journal of Membrane Science[2]，Xiang Bin 為第一作者，李健擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Journal of Membrane Science）
將發揮本地資源優勢，就地取材做科研
而在後續，課題組將以膜分離技術為基礎，繼續開展新的研究。同時，也將通過調控膜材料的不同功能，來製備超浸潤膜材料。
這樣一來，不僅可以進一步優化分離膜的油水分離性能，還能適用於含油廢水的深度處理等場景。
此外，儘管在油水分離領域之中，超浸潤膜材料具有十分突出的優勢。但是，依然膜材料機械穩定性、化學穩定性較差、嚴苛環境下易被破壞和腐蝕等缺點。
同時，膜表面的抗污染性依然有限，尤其是在分離油水乳液的過程中，由於外部壓力的存在，會導致油滴滲入超浸潤膜孔中，從而導致膜被堵塞物污染，進而讓含油廢水的連續分離受到影響。
因此，後續他們將研究如何增強膜的表面穩定性和抗污性。具體來說，針對超浸潤油水分離膜的後續研發計劃，該團隊將其分為四方面：
其一，將研發綠色環保的膜材料，以此增強膜的表面防污性和運行穩定性，從而用於含油廢水的深度處理和資源化利用；
其二，課題組所在的甘肅省有著超過 10 億噸的凹凸棒石儲量，約占全球凹凸棒石儲量的 75%。因此他們將充分發揮地域優勢，採取就地取材的方式，將凹凸棒石與自己的科研項目相結合。
而凹凸棒石至少具有以下幾大優勢：天然的微納米孔道結構、較大的比表面積、骨架表面豐富、以及羥基位點易修飾等。
因此，通過調控凹凸棒石表面的微/納結構、形貌和浸潤性能，有望開發出以凹凸棒石為基底的分離膜，從而實現粒徑更小的油水乳液的高效分離，進一步達成工業層面的含油廢水凈化。
其三，他們將增強膜的防污性能、機械性能和化學穩定性，讓其在分離過程中，具備一定的耐久性、可重複使用性、以及環保安全性，從而延長分離膜的使用壽命。
其四，他們重點研究油水分離膜的構效關係、膜在分子層面的抗污染行為、以及含油廢水的強化分離機制，更好地推動油水分離膜的工程化應用。
如前所述，李健深耕功能膜領域已有多年，這讓他積累了不少論文成果。此前，他曾以第一作者或通訊作者身份發表 SCI 論文 110 余篇，所發表的 SCI 論文累計他引量達到 5100 余次，H 指數目前為 49。另外，其還曾連續多年入選英國皇家化學會「TOP 1% 高被引中國作者」榜單。
參考資料：
1.Bin Xiang, Jingling Gong, Yuqing Sun, Wenhao Yan, Jian Li*. High permeability PEG/MXene@MOF membrane with stable interlayer spacing and efficient fouling resistance for continuous oily wastewater purification. Journal of Membrane Science, 2024, 691, 122247.
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