現(xiàn)有的分離技術(shù)難以從含有表面活性劑的穩(wěn)定乳液中同時回收油相和水相，達(dá)到接近零液體排放的目標(biāo)。有鑒于此，浙江大學(xué)徐志康教授、張超研究員、楊皓程研究員等提出一種Janus膜（Janus channel of membranes）概念(JCM)，通過特征性的一對親水膜和疏水膜構(gòu)成的封閉結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高效地從表面活性劑穩(wěn)定的乳液中同時回收油相和水相。受限設(shè)計的Janus通道能夠通過濃度富集和破乳化的反饋回路放大膜對的相互作用。這種JCM膜在回收測試過程對油和水的回收分別達(dá)到97%和75%，而且回收得到的油和水的純度高達(dá)99.9%。此外，JCM膜能夠分離處理許多乳液，并且實現(xiàn)接近0的液體排放。
JCM雙面膜的設(shè)計
JCM膜的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是由親水膜和疏水膜之間形成的狹窄通道，當(dāng)乳液通過蠕動泵輸送到通道中，清水從親水膜側(cè)流出，而油相收集在疏水膜側(cè)，這種JCM膜能夠安裝在許多商業(yè)微濾膜裝置內(nèi)。圖2. JCM膜的寬度對分離的影響，JCM膜分離機(jī)理這個JCM雙面膜的設(shè)計中，通道的寬度起到非常關(guān)鍵的作用，通道寬度能夠顯著的影響分離過程和分離效率。當(dāng)通道的寬度從125nm縮小至4nm，油相回收率從5%增加至97%，水相回收油19%增加至75%，而且回收的油和水的純度都超過99.9%。JCM分離油水的機(jī)理是對乳液的快速局部富集化，以及狹窄通道的限域效應(yīng)使得碰撞增強(qiáng)。 作者通過公式解釋這種JCM膜增強(qiáng)分離的能力：其中，Co是起始濃度，J是水流量，t是保留時間，d是通道寬度，d能夠顯著影響富集的效率，因此對破乳效率和回收速率產(chǎn)生影響。
JCM中的親水膜-疏水膜作用
Janus膜的作用。通過對比Janus膜與疏水膜（UBC, unilateral hydrophilic channel）或者親水膜（UIC, unilateral hydrophilic channel），說明JCM雙面膜中的親水膜和疏水膜的作用。在狹窄的通道中，UBC和UIC能夠用于輸送單一種類的液體，因此能夠分別用于回收油相或者水相。JCM膜分離能夠?qū)崿F(xiàn)富集-聚結(jié)-破乳（enrichment-coalescence-demulsification）過程。JCM膜分離過程包括三個階段：（i）乳液進(jìn)入通道，水能夠快速滲透通過親水性膜，發(fā)生局部乳液富集，（ii）濃縮的乳液液滴之間發(fā)生碰撞和聚結(jié)，加快破乳過程，（iii）疏水膜去除破乳化的油相，而且親水膜能夠持續(xù)的進(jìn)行水滲透。與JCM膜不同，UBC和UIC膜只具有破乳或聚結(jié)的功能。因此，由于這種優(yōu)勢，JCM不僅具有更高的水和油回收率，而且在處理更堅固的乳液時，回收率的損失也更低。圖4. JSM膜的反饋回路（Feedback loop）傳統(tǒng)的膜分離過程通常能夠?qū)е掠拖酀舛葐握{(diào)增加，這是因為只能去除其中的一個相。這種傳統(tǒng)膜分離過程產(chǎn)生濃度的極化，并且降低分離效率。但是，在JCM膜中，水滲透能夠促進(jìn)液滴的富集和聚結(jié)，能夠連續(xù)的進(jìn)行油去除。而且能夠消除油相減少產(chǎn)生的濃度極化，以及濃度極化對水滲透的負(fù)面影響。通過這種過程，構(gòu)成了促進(jìn)水和油持續(xù)分離的反饋回路。通過表征JCM系統(tǒng)中的油濃度的改變能夠驗證， UIC和UBC膜分別對油相產(chǎn)生單調(diào)增加或單調(diào)降低的現(xiàn)象，JCM膜在油含量包括濃度降低和濃度增加的過程。油滴的大小發(fā)生類似的變化規(guī)律，最初的增加歸因于水滲透引起的乳液富集。隨后富集的乳液聚結(jié)成更大的乳液，很容易被疏水膜捕獲，導(dǎo)致油含量的降低。通過油的含量隨著時間變化的曲線，發(fā)現(xiàn)JCM包括正和負(fù)區(qū)域，說明系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)油濃度的能力。通過這種自我調(diào)節(jié)，能夠促進(jìn)連續(xù)分離過程中的穩(wěn)定運行。當(dāng)體系是封閉的循環(huán)，油的含量最后發(fā)生降低。 由于這種反饋回路，JCM膜能夠快速分離油和水。通過熒光染料標(biāo)記乳液在分離過程中的變化情況，測試結(jié)果顯示JCM膜的熒光強(qiáng)度在20min內(nèi)基本上消失，UBC和UIC膜的熒光強(qiáng)度隨著時間基本上沒有改變，說明UBC和UIC膜的油分離性能較差。JCM膜的液滴變化情況顯示，液滴尺寸先從22.4±3.0μm增加為32.9±2.6μm，隨后減小為23.1±1.8μm，液滴的大小變化趨勢出與油的含量變化相似。最初的增加歸因于富集和聚結(jié)效應(yīng)。大乳液液滴很容易被疏水膜破乳和去除，在系統(tǒng)中留下小液滴。值得注意的是，由于在油流出之前發(fā)生聚結(jié)和粘附，因此液滴尺寸和油含量的變化比油的流量變化更快。在這項研究中，當(dāng)親水性膜帶負(fù)電荷，可以防止由陰離子表面活性劑（比如SDS）穩(wěn)定的乳液液滴粘附，從而獲得相對較高的水回收率；陽離子表面活性劑（比如CTAB）會導(dǎo)致乳液液滴和表面活性劑在膜表面嚴(yán)重粘附，從而降低水和油的回收率，帶正電的膜對CTAB穩(wěn)定的乳液實現(xiàn)了更高的回收率。因此，在JCM膜的親水膜部分最好使用與表面活性劑攜帶相同電荷的膜材料。 JCM不僅能夠分離水包油乳液，也可以分離油包水乳液，油的回收達(dá)到~71%，水的回收率達(dá)到~94%，回收得到的油和水純度都>99.9%。此外，相比于傳統(tǒng)親水膜只能處理含油量<10%的油包水乳液，JCM膜能夠處理含油量為40%的油包水乳液，并且水的回收仍達(dá)到>80%，回收的油和水純度都>99.9%。另外，由于JCM處理乳液的能力較強(qiáng)，能夠分離具有較小液滴尺寸和增強(qiáng)穩(wěn)定性的乳液。此外，將JCM構(gòu)筑多級裝置能夠提高分離效率，因此具有工業(yè)應(yīng)用的前景。JCM能夠同時從含有表面活性劑的穩(wěn)定乳液中回收油和水，為解決油水乳液回收提供了非常好的解決方案，并且取得比現(xiàn)有技術(shù)更好的效果。Xin-Yu Guo et al. ,Janus channel of membranes enables concurrent oil and water recovery from emulsions. Science 386,654-659(2024).DOI:10.1126/science.adq6329https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq6329
