江西师范团队造出油水分离材料，分离效率达到99%以上

近日，江西师范大学彭桂明教授和团队制备出一种油水分离材料。在气相辅助沉积法的帮助之下，课题组在具有微米级孔道的碳纤维网络上原位沉积生长 CN（carbon networks）纳米层，然后对其表面进行亲油/疏水化学修饰，借此得到了这种油水分离材料（即超疏水/超亲油界面）。

图 | 彭桂明（来源：彭桂明）

由于 CN 层是通过原位化学气相沉积生长的，与碳纤维基底具有强相互作用，因而能够抵抗溶剂的持续冲刷。

同时，碳纤维之间的微米级溶剂孔道，让油水分离滤网只需在重力驱动下，就能实现快速高效的油水分离，油通量达到 4.29 × 105L/m2/h，分离效率达到 99% 以上。

同时，凭借表面 CN 纳米层的可见光催化作用、以及表面化学修饰，可以拓宽 CN 材料对于可见光的响应范围，从而让滤网拥有优异的可见光催化能力，故能降解表面的有机油垢，最终实现自净化的功能，助力于保持长期高效油水分离性能。

一系列耐酸、耐碱、高温、耐盐等实验证明，这种油水分离材料可以在严苛条件下使用。

解决水体上石油泄漏造成的资源处理问题和环境污染问题，是本次研究的初心所在。

海上油轮或油田石油泄漏事故时有发生，而且海底油气资源丰富，因此该成果最有希望用于这些场景。当然，人类生产、生活中的其他油水分离场合，也蕴含着不少应用机会。

（来源：Nano Letters）

据介绍，在当前的大规模石油泄漏场景中，当进行油气资源的分离与回收时，依旧存在一些待完善的地方。比如，应该更好地考虑该类事件对于环境和水体的污染危害。

在海上石油泄漏事故中，由于涉及到的石油量较大，并且油气资源与水的不互溶性，导致石油这类物质很快会在水面铺开，很容易对大片水域造成威胁。

针对石油泄漏和石油污染事故，最理想的处理方式必须满足以下三大要求：处理效率高、成本低、无二次污染。

目前，主要处理方式是浮选、过滤、吸收、化学分散剂降解、现场焚烧等。其中，通过常压过滤进行油/水分离，是一种满足上述三大要求的油水分离技术。

此类技术的关键是：在多孔滤网表面构筑超疏水/亲油或和超疏油/超亲水界面。

以超疏水/超亲油表面为例，由于滤网表面具有优异的疏水/亲油性，它仅能允许油通过，由于水不能通过，故可以实现油/水分离。

在具体使用的时候，要求滤网必须具有良好的机械强度，并且具有多孔的结构。

此前，人们利用材料纳米孔道来作为溶剂分离通道，这往往需要使用金属有机骨架膜和二维材料膜等技术，而这种技术往往需要施加压力，只有这样才能获得一定的溶剂通量。

相比之下，当使用微米级溶剂孔道的时候，其主要依赖重力驱动的油/水高通量分离技术。

在重力驱动油水过滤分离过程中，目前有两个亟待解决的问题：

其一，滤网疏水/亲油或疏油/亲水界面层，在连续油水过滤分离过程必须具备抗冲刷性能，即界面活性层与基底的作用必须保持牢靠，而这决定着滤网的长期油水分离效率和使用寿命；

其二，过滤网上的沉积油垢，是油水过滤分离过程中的另一个常见问题。

沉积的油垢会改变表面状态，以至于堵塞溶剂通道，从而会严重限制长期分离效率，进而会提高分离成本。

于是，该团队在想能否将光催化技术与油水分离滤膜材料加以结合，从而解决滤膜上的油垢问题？

为此，他们将表面特异亲油疏水材料与可见光催化材料合二为一，在保持高效油水分离性能同时，还能维持材料的可见光催化性能。

在油水分离滤膜材料合成上，他们选择原位生长的合成方式，借此克服过滤时的溶剂对于滤膜表面的冲刷作用。

由于常规的 CN 材料具有双亲性，既亲水又亲油，因此在合成 CN 基的滤膜材料之后，又面临着表面疏水亲油改性的问题。

而在表面改性的时候，课题组兼顾了材料的光催化性能，因此选择了苯甲氧基嫁接，这样一来既可以赋予材料表面疏水亲油性，又有利于拓宽 CN 层对于可见光的响应，从而有利于增强光催化降解油垢性能。

对于研究过程彭桂明表示：“学生辛苦付出背后的小小成功，或许更值得记忆。还记得在 2022 年 11 月的一个下午，学生首次成功合成超疏水/超亲油的第一片石墨碳毡/CN 复合材料，同学们都激动坏了。”

后来，经过文献调研与不断的实验，再经过油水分离的测试，他们发现合成出来的材料表现出优异的油水分离通量和高分离效率。

“这给我们打了一剂定心针，让我们更有信心做下去。我们实验室的学生，多是初次接触科研的硕士研究生，他们更需要通过做出成果来获得肯定与鼓励。”彭桂明说。

而对于相关论文评审专家表示：“我们认为将可见光催化降解有机污染物用于分解油水分离过程中油垢问题很有新意，就像冬天的衣物可拿到太阳底下晒晒进行干燥杀菌。”

同时，审稿人也提出了一些宝贵意见，比如建议课题组尽量做成大面积的油水分离滤网，并对油水分离能力加以评价。

事后，该团队补充了相关实验，进一步验证了在大面积条件下的优异油水分离性能。

彭桂明表示：“这一建议进一步地让我们看到了这款技术的应用前景，我们也正在将其做成产品，寻求技术落地的机会。”

最终，相关论文以《具有光催化防污能力、可实现高流体油/水分离的疏水氮化碳纳米层》（Hydrophobic Carbon Nitride Nanolayer Enables High-Flux Oil/Water Separation with Photocatalytic Antifouling Ability）为题发在 Nano Letters[1]。何贸是第一作者，彭桂明担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nano Letters）

彭桂明总结称：“这篇论文的发表证实了我们开发的 CN 基油水分离材料的优异油水分离性能，及光催化降解油垢实现抗油污的特性。”

但这只是第一步，他和团队更希望能推动技术落地，解决工业中的重大问题。

因此，接下来他们将努力解决大面积（平方米级）油水分离滤膜生产过程中的工艺问题，期待日后能在工业应用中看到自己的产品。