Rongxue Xi|Chenshun Hu|Shouzheng Jiao|Yuwei Hao|Zhicheng Sun|Zhongjun Cheng
北京印刷与包装工程学院印刷电子工程研究中心，北京印刷与包装工程学院，中国北京102600
摘要
高效处理油包水乳液仍然具有挑战性，这主要是由于表面活性剂导致的液滴稳定性和膜快速污染，从而引起孔隙堵塞和通量下降。在这项研究中，我们通过在TiO?改性的不锈钢网上接枝线性聚二甲基硅氧烷（PDMS）链来开发一种光响应的类液体分离表面。接枝的PDMS刷层形成了一种移动性强、粘附性低的界面，有助于液滴分离并抑制有机沉积；同时，TiO?纳米颗粒在紫外光照射下产生活性氧化剂，以降解残留污染物。这种双重作用的设计使得不相容的油/水混合物以及表面活性剂稳定的乳液能够通过重力持续分离。该膜在空气中保持超亲油性，在油中则具有强疏水性，确保油相的选择性传输。关键的是，紫外光照射后膜通量能够迅速恢复，且经过多次循环后分离效率仍保持在85%以上。动态PDMS刷层与光催化自清洁功能的协同集成，为开发持久的抗污染界面提供了一种简单且可扩展的方法，适用于长期乳液净化及更广泛的废油处理应用。
引言
油水分离已成为环境保护和资源管理中的一个关键问题，因为工业废水、石油化工泄漏和意外溢出不断将乳化污染物释放到水生系统中[1]、[2]、[3]。与宏观不相容混合物相比，油水乳液（特别是表面活性剂稳定的油包水（W/O）系统）含有高界面稳定性的纳米级液滴，使得有效分离变得非常困难[4]。传统的净化方法如重力沉降、离心、浮选和电化学处理要么能耗高，要么不适合长期连续运行[5]、[6]。因此，基于膜的分离技术因高效、操作简单和能耗低而受到越来越多的关注[7]、[8]、[9]。
超疏水/超亲油网被广泛用于W/O分离；然而，它们的性能常常受到有机污染的影响。表面活性剂残留物和油分子容易在疏水固体-油界面积累，阻碍液滴聚集，堵塞孔隙，导致通量迅速下降[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。最近，通过接枝聚二甲基硅氧烷（PDMS）刷层构建的类液体表面表现出显著的抗污染性能，这得益于其动态链的移动性和低粘附特性[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。然而，这类表面在长时间过滤过程中仍难以去除强吸附的有机残留物，需要额外的再生策略[26]、[27]。
光催化提供了一种无需化学清洗的现场清洁解决方案。TiO?作为一种经典的半导体光催化剂，在紫外光照射下可以生成活性氧，从而氧化降解有机污染物[28]、[29]、[30]。但这些功能主要在静态或暴露在空气中的条件下得到验证，此时PDMS作为疏水涂层，TiO?负责表面清洁。这样的设计无法直接解决连续油包水乳液分离问题，因为在这些条件下液滴的动态传输和不可逆污染会主导性能下降。在这种情况下，需要同时具备移动性类液体界面和现场光催化再生的功能，以实现长期分离。尽管具有潜力，但光催化活性与类液体抗污染界面的协同集成在W/O乳液分离中的应用仍不够充分。
在这项工作中，我们通过在TiO?修饰的不锈钢网上接枝线性PDMS刷层，构建了一种混合自清洁分离表面（PDMS brush@TSSM）。PDMS链赋予了低粘附性、类液体的移动性和对油的选择性亲和力，而TiO?层则实现了光驱动的污染物氧化降解。这种双重功能设计使得W/O乳液能够通过重力分离，并在紫外光照射下表现出优异的抗污染性能和通量恢复能力。该策略提供了一种环保、无试剂的长期乳液净化方法，并为设计复杂的液体系统的抗污染界面提供了概念指导。
材料
聚二甲基硅氧烷（PDMS，分子量Mw = 6000 g/mol）购自Alfa Aesar（中国）。不锈钢网（SSM，2000目）由上海燕津过滤网制造有限公司提供。TiO?纳米颗粒浆液由Greatcell Solar Limited（澳大利亚18 NRT）提供。Span 80（99%）购自Aladdin生化科技有限公司（上海），n-十六烷（99%）购自北京Inoke科技有限公司。
PDMS brush@TSSM的制备
首先对SSM进行超声处理
PDMS brush@TSSM的设计与制备
为了将二氧化钛（TiO?）的光催化性能与PDMS分子刷层的低粘度特性结合起来，首先将TiO?纳米颗粒烧结在不锈钢网（TSSM）的表面上。随后，将线性和柔性的PDMS链热接枝到网面上，形成PDMS brush@TSSM结构（图1a）。TiO?以其自清洁光催化性能而闻名。在紫外光照射下，价带中的电子被激发
结论
在这项工作中，我们通过在TiO?改性的不锈钢网上接枝线性PDMS分子刷层，开发了一种混合自清洁分离膜。类液体的PDMS界面与光催化活性的TiO?的结合，实现了油/水混合物和表面活性剂稳定的油包水乳液的高效重力分离。PDMS刷层提供了移动性强、粘附性低的表面，有助于液滴分离并减少有机沉积；同时，TiO?生成
CRediT作者贡献声明
Zhongjun Cheng：软件开发、项目管理、研究、概念构思。Yuwei Hao：资源获取、研究。Zhicheng Sun：验证、监督、资源获取、资金申请。Shouzheng Jiao：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、数据分析。Rongxue Xi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据管理。Chenshun Hu：项目管理、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（22278037）、北京印刷与包装工程学院平台建设项目（KYCPT202510）、北京印刷与包装工程学院博士研究启动基金（Ed2025001）以及国家烟草专卖局（中国烟草总公司）烟草功能材料/数字智能调味重点实验室（中国烟草湖南工业有限公司）的开办资金的支持。
