这张膜，有点"巧妙"，登上Nature大子刊！

一膜双效！同步分离油包水和水包油乳液，效率突破99.9%

油水乳液广泛存在于石油化工、机械加工、食品和工业废水等场景，其高效分离一直是膜科学领域的重要问题。传统膜分离通常依赖孔径筛分和界面润湿作用：处理水包油（O/W）乳液时往往使用亲水膜，处理油包水（W/O）乳液时则需要疏水膜。问题在于，这种技术天然属于“串行模式”：一次操作通常只能针对一种乳液、获得一种主要纯化相。当进料组成发生变化，甚至同时存在O/W与W/O等相反乳液时，就需要预先识别体系、切换膜材料或增加多级处理单元，不仅流程复杂，也带来更高的能耗和维护成本。因此，能否让一套膜装置在不切换运行模式的情况下，同时处理两种“方向完全相反”的乳液，成为进一步提升油水分离集成化程度的关键挑战。

针对这一问题，中国海洋大学李一鸣教授团队与山东大学王志宁教授团队合作，提出了一种名为“同步并行双乳液分离策略（SPDES）”的新思路。传统膜分离技术只能“先处理后一种”，效率受限，而这项研究打破了这一局限。研究团队设计了一款特殊的“异质润湿膜（HWM）”，其表面像棋盘一样规则分布着亲水和疏水区域，并为其搭配了一个双向梯度收缩流道。两者结合，便形成了一套“剪切—润湿协同机制”：当混合乳液流过流道时，不均匀的剪切力会让微小的油滴或水滴先相互碰撞、聚并变大；随后，这些不稳定的液滴到达膜表面，亲水区会主动“抓住”水相，疏水区则“拉拢”油相，分别引导它们朝相反的方向穿膜而出。这样一来，仅用一台设备，就能同时且连续地处理水包油（O/W）和油包水（W/O）两种性质相反的乳液，并分别得到高纯度的水相和油相。实验表明，两相分离效率最高可达99.9%以上，而且膜材料不易堵塞，能够长时间稳定运行。这项成果以“Synchronous and parallel separation of opposing emulsions enabled by a heterowettability membrane”为题，发表在国际顶级期刊《Nature Water》上，第一作者为Wenjun Zhang。

研究的第一步，是把过去“一张膜一种功能”的思路改成“一张膜上安排两条不同的路”。如图1所示，研究人员采用模板辅助静电纺丝，在同一膜平面内构筑彼此交织但具有明显润湿差异的区域。其中，PAN@PTFE/PVDF纤维构成疏水区域，而PAN@TiO₂/WPU@TiO₂构成亲水区域；疏水部分水接触角达到约136.8°，亲水部分则接近完全润湿。更重要的是，这并不是简单把两块膜“拼”在一起，而是在界面区域形成相互交织的双纤维网络，使湿态界面黏结强度超过0.20 MPa，可以承受流道运行过程中持续的剪切作用。与此同时，约1 μm的膜孔还承担了双重任务：一方面允许破乳后的分散相液滴跨膜迁移，另一方面借助毛细压力阻止两侧连续相直接串流。于是，当O/W乳液从上方进入、W/O乳液从下方进入时，流道剪切负责“拆乳液”，异质润湿区域负责“选方向”：油滴倾向进入疏水区域，水滴则被亲水区域捕获并输运，最终实现真正意义上的双向同步分离（图1）。

图1： SPDES同步并行双乳液分离原理及异质润湿膜制备

仅仅做出亲水—疏水图案还不够，图2进一步回答了一个重要问题：这些区域到底应该怎么排列？研究人员比较了垂直润湿分区膜（VPM）、平行润湿分区膜（PPM）和垂直多级润湿膜（VMPM）。结果发现，VPM的表现最为突出，100 mL O/W和100 mL W/O乳液能够在约30 min内同步处理，两相分离效率均超过99.5%，残留量低于25 ppm（图2a–d）。这一差别并不是简单来自材料本身，而是来源于润湿图案与流场空间分布的匹配。梯度收缩流道越接近出口，横向迁移速度越大，液滴越容易向膜界面移动。VPM恰好将目标润湿区域安排在更有利于液滴迁移的位置，从而降低液滴滞留和重新聚集的概率。进一步比较不同流动方式后，研究发现上下通道采用逆流模式时性能最好（图2e、f）。即使面对W/O/W、O/W/O三重乳液以及O/W与W/O共存体系，该系统仍能在不更换硬件、不切换模式的情况下保持超过95%的同步分离效率（图2g）。与传统死端过滤、错流过滤以及已有单一润湿、Janus和刺激响应膜相比，SPDES在分离效率和处理通量方面也表现出明显优势（图2h）。

图2： 异质润湿拓扑与流动方式优化

两种液体分别从膜的两侧流过，却不会直接“串门”，这是整个设计能稳定工作的基础。图3通过理论分析和CFD模拟揭示了其中的原因。梯度流道会在膜两侧产生复杂的速度、剪切和压力分布，实际上两侧并不存在严格为零的跨膜压差（图3a–f）。也就是说，系统并不是依靠精确调平压力来防止油水互穿。真正起作用的是膜孔尺度上的Laplace压力锚定效应。当外部压差试图推动连续相进入孔道时，孔内油水弯月面的曲率会随之变化，从而产生方向相反的Laplace恢复压力，将原本的连续相“锁”在各自通道中（图3g、h）。研究估算，该体系存在约−5440至5440 Pa的稳定操作压力窗口。只要运行压力保持在这一范围内，界面就能通过曲率变化进行自适应调节；而一旦跨膜压差超过这一窗口，界面锚定失效，才会出现明显泄漏。这种孔尺度的负反馈机制，为同步双向输运提供了关键物理保障。

图3： 压力场与Laplace锚定机制

连续相被锁住之后，下一个问题就是：为什么油滴和水滴反而能够穿过去？图4表明，异质润湿膜并不是传统意义上的“被动筛网”，而更像一个具有方向选择能力的主动界面。与普通Janus膜以及交换亲疏水区域后的VPM相比，只有特定空间排列的异质润湿膜才能获得高效的双向分散相传递（图4a–c）。梯度流道在这里再次发挥作用。在普通均匀流道中，液滴受升力、重力和润滑阻力等影响，与膜表面有效接触的概率较低；而收缩流道能够不断提高局部流速，推动液滴向膜靠近（图4d、e）。一旦接触膜表面，润湿匹配便接管后续输运。分子动力学模拟进一步显示，疏水区域优先促进异辛烷从O/W侧向另一侧迁移，同时抑制水通过；亲水区域则恰好相反（图4f–h）。其中，亲水表面的羟基能够与水形成稳定氢键和水合层，不仅促进水输运，也提高油分子穿透的能垒。换句话说，梯度流场负责“把液滴送到门口”，表面润湿性则决定“这扇门让谁通过”。

图4： 异质润湿与梯度流道共同控制分散相选择性迁移

不过，在液滴能够被定向输运之前，还必须先把稳定乳液“拆开”。图5揭示了剪切作用非常典型的“双刃剑”效应。流变测试表明，两类乳液都存在发生结构失稳的临界剪切应力，而流道产生的剪切力足以突破这一能垒，使液滴发生形变、界面膜变薄，并经历碰撞、破膜和聚并（图5f）。但剪切并非越大越好。在较低入口压力下，剪切不足，乳液破乳不完全；入口压力提高到约7000 Pa时，系统进入最佳剪切窗口，O/W和W/O乳液残留分别降至29.55 ppm和61.28 ppm，分离效率超过99.5%（图5b）。继续把压力提高到15000 Pa，过强湍流反而会将已经聚并的油滴重新打碎，引发再乳化，使水中油含量重新升至300 ppm以上（图5c）。因此，SPDES的关键不是简单制造“大剪切”，而是在一个合适窗口内完成“破乳—聚并—及时转移”的连续接力。

图5： 剪切力对破乳的“双刃剑”效应

对于真正的膜分离技术，短时间分得干净还不够，能不能长期运行、是否容易污染同样重要。图6中，研究人员连续处理了各2000 mL的O/W和W/O乳液，总运行时间达到305 min，系统仍维持稳定而高效的分离性能（图6a、b）。XPS和二维相关光谱进一步发现，不同润湿区域具有明确的界面分工：疏水区域更容易与油和Span 80发生作用，而亲水区域则优先响应水以及Tween 80的亲水基团（图6c–f）。更值得关注的是，这种吸附并没有演化成严重的不可逆污染。低场二维核磁结果显示，多次循环后膜内仍以自由水和自由油为主，真正处于吸附状态的组分比例仅约1.3%和2.1%（图6g–i）。其原因在于，乳液首先在剪切作用下聚并成较大的液滴，随后被对应润湿区域快速捕获并转移，而逐渐增强的切向流又能够促进污染层脱附。因此，SPDES实际上把“破乳、输运和抗污染”三个过程耦合到同一个流场中，从机理上减轻了传统过滤过程中液滴长期堆积在膜表面的难题。

图6： 长期运行中的界面演变与抗污染机制

小结

总体而言，这项工作并不是单纯制备了一种具有特殊润湿性的膜，而是从膜材料、流道结构和界面输运机制三个层面重新设计了乳液分离过程。通过异质润湿膜与双向梯度流道协同，研究人员建立了“剪切诱导破乳—润湿选择输运—Laplace界面锚定”的完整机制，使O/W和W/O乳液第一次能够在单一装置中进行连续、同步和并行处理，并且对复杂多相乳液仍保持超过99%的高效分离。研究还显示，在本文设定的系统边界下，与传统错流过滤相比，该策略具有降低处理成本和碳排放的潜力。未来，如果能够进一步解决大面积异质润湿膜连续制造、梯度流道放大以及真实工业乳液长期稳定运行等问题，这种从“串行过滤”走向“并行分离”的思路，有望为含油废水处理、油品回收以及复杂多相体系资源化提供新的技术路径。