一种多功能亲水-疏油尼龙@GO@Ms膜，用于高效分离油包水乳液

《Process Safety and Environmental Protection》：A multifunctional hydrophilic-oleophobic Nylon@GO@Ms membrane for efficient separation of water-in-oil emulsions

超亲水-水下超疏油复合膜设计及其油水分离与阻燃性能研究。采用真空过滤法一步制备Nylon@GO@Ms复合膜，通过白云母（Ms）调节石墨烯氧化物（GO）层间距并增强表面亲水性，构建连续水通道和疏油屏障，实现超过99%的油水分离效率。Ms热解释放水分抑制燃烧，GO炭化形成隔热层协同阻燃，极限氧指数达25%。该膜材料环境友好、可规模化生产，为海洋溢油治理提供新方案。

　　

洪吉|王瑞琪|宋铮|杨柯|邢志翔

中国江苏省常州市常州市大学安全科学与工程学院，邮编213164

摘要

全球快速工业化增加了海洋石油泄漏的频率，对水生生态系统和人类健康构成了严重威胁。虽然膜技术在分离乳化油方面效率很高，但它面临着油污和收集到的油本身易燃性的挑战。在这项研究中，通过将氧化石墨烯（GO）和白云母（Ms）沉积在尼龙基底上，采用一步真空过滤法制备了Nylon@GO@Ms复合膜。这种分层结构形成了连续的亲水通道和水合层，可以抵抗油分子的吸附，使膜具有超亲水性和水下超疏水性。因此，该复合膜表现出优异的油水分离性能，分离效率超过99%。在阻燃性能方面，这两种材料表现出互补效应：Ms发生吸热分解释放水蒸气并降低温度，而GO则碳化形成隔热炭层，共同构建了阻燃屏障（极限氧指数=25%）。白云母是一种天然矿物，储量丰富且对环境影响小，低负载量的GO也没有渗出风险。该复合膜在大规模含油废水处理中具有良好的环境兼容性和经济可行性。

引言

全球工业化导致海洋石油泄漏事件更加频繁，对社会和生态系统造成了重大危害（Baig等人，2024；Nasajpour-Esfahani等人，2024；Rehman等人，2025；Wei等人，2022）。传统的分离方法如重力分离和化学破乳效率低下且成本高昂（Li等人，2018；Tanudjaja等人，2019；Yao等人，2022）。近年来，由于其高效性和简便性，膜分离技术得到了广泛应用（Zhao等人，2026；Zhu等人，2026）。然而，这项技术在实际应用中仍面临关键挑战：油相容易吸附并堵塞膜孔，导致分离效率降低（Ma等人，2025）。由于油和有机溶剂通常具有易燃性，膜材料的阻燃性能对应用安全至关重要（Shi等人，2025；Zhang等人，2025b）。然而，在现有分离膜的设计中，这一方面经常被忽视，研究工作往往更注重抗污染性能。

超亲水膜通过亲水基团与水形成氢键水合层，一定程度上减轻了污染（Ismail等人，2023；Ye等人，2024）。尼龙膜由于其分子链中的酰胺基团而具有亲水性，使其成为潜在的分离基底（Wang等人，2023b；Zheng等人，2024）。然而，在复杂操作条件下，它们的抗污染性能有限，这是由于亲水性不足和油吸附能力过高（Zhu等人，2022）。

虽然氧化石墨烯（GO）常用于提高膜的亲水性，但其强烈的层间π-π堆叠容易导致孔隙堵塞，阻碍了传统基于GO的膜的高渗透通量（Li等人，2026；Yang等人，2025）。因此，扩大纳米通道是提高渗透性的有效策略（Wang等人，2018）。本研究引入了白云母（Ms）来调节GO层的堆叠。其层状片状结构作为间隔物插入GO层之间，而表面的Si-OH基团与GO的含氧基团形成稳定的氢键。这种方法抑制了GO的过度聚集，同时构建了连续的、适合的亲水通道。同时，GO表面亲水基团与水分子之间的强相互作用降低了传输阻力，最终使复合膜的通量远超传统基于GO的膜。

蒙脱石和其他层状硅酸盐也被用于膜改性（Makwana等人，2020；Zhang等人，2025a），但它们主要与GO或尼龙形成弱的离子相互作用，容易导致填料聚集。基于GO或粘土的分离膜通常侧重于单一的抗污染功能，很少能在分离性能和阻燃性之间取得平衡（Chakraborty等人，2026）。尽管在阻燃膜方面探索了多种方法，Long等人（Long等人，2025）将SbCl?与TA结合，制备出一种能够有效分离油水混合物和油包水乳液的阻燃膜，并具有良好的重复使用性。Wang等人（Wang等人，2023a）采用CS和PA溶液涂层系统为苎麻织物赋予阻燃性能。然而，一些研究未能充分解决油水分离问题，或在分离效率和稳定性方面难以满足实际应用要求。

基于此，本研究采用了一种简单且环保的真空过滤方法，协同改性尼龙膜与GO和Ms。利用它们的界面协同效应和结构互补性，这种方法实现了油水分离和阻燃性能的集成。该方法不消耗消耗品和有机溶剂，能耗低，适合工业化生产。对其超亲水性、分离性能、抗污染能力和阻燃性进行了全面评估。本研究通过协同改性尼龙膜与GO和白云母，实现了双重功能的整合，为实际油污治理提供了更有前景的材料解决方案。

材料

有机尼龙膜（50毫米，0.22微米）购自海宁DeFilter新材料科技有限公司。氧化石墨烯（GO）购自深圳瑞恒科技有限公司。白云母（Ms，5微米）购自固镇县山林石料矿物制品有限公司。Sudan III购自上海碧德医药科技有限公司。柴油油购自中国石油和化工股份有限公司。正己烷（AR）和二氯甲烷（AR）均购自上海。

表面和孔径

图2a(a1-a4)展示了尼龙、Nylon@GO和Nylon@GO@Ms的扫描电子显微镜（SEM）图像，以及Nylon@GO@Ms的横截面形态。尼龙表面具有多孔结构，是进行亲水-疏水改性的理想基底。加入GO后，Nylon@GO的表面从白色变为黄褐色，并覆盖有分散的细小颗粒。图S1清楚地显示了附着在Nylon@GO表面的层状GO片。

结论

总之，本研究制备的复合膜表现出优异的润湿性能：水接触角为17°，水下油接触角为157°，表明其具有强亲水性和水下超疏水性。这种独特的润湿行为使得膜表面能够形成稳定的水合层，有效排斥油滴并防止分离过程中孔隙堵塞。因此，该膜表现出出色的分离效果。

作者贡献声明

邢志翔：项目管理和资金获取。宋铮：撰写——初稿，验证。杨柯：资源协调，资金获取。洪吉：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念构思。王瑞琪：撰写——初稿，验证，方法学，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。我们声明与其他人或组织之间没有可能不当影响我们工作的财务和个人关系，也没有任何形式的专业或其他个人利益涉及任何产品、服务和/或公司，这些利益可能会影响本文的观点。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52204204、51704041、51574046）、江苏省自然科学基金（编号BK20150269）和常州市科技支持计划（社会发展）（编号CE20235039）的资助。作者感谢邱世军先生（来自Scientific Compass www.shiyanjia.com）在XPS分析方面提供的宝贵帮助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益