一种具有持久油水分离能力与可生物降解性能的压电复合纤维膜

本发明涉及一种油水分离膜材料，具体涉及一种具有持久油水分离能力的可生物降解的压电复合纤维膜及其制备方法，属于新材料。

背景技术：

1、随着全球工业化进程的加速，石油化工等领域产生大量含油废水，其主要成分包含烷烃、芳香烃、胶质、沥青质等，这些物质易吸附于油水界面形成高强度刚性膜，进而形成水包油乳液，致使破乳分离困难。同时，含油废水中通常含有有毒物质和重金属离子，其若未经处理直接排放，会直接导致水体污染、环境破坏，阻碍我国可持续发展。与传统的离心分离、生物破乳、化学破乳等分离方法相比，膜分离方法具有操作高效和分离性能优越的优势。膜分离的核心是膜材料，目前现有膜材料大致分为有机聚合物膜和无机膜两类，其中有机聚合物膜，如聚偏氟乙烯、聚丙烯腈和聚对苯二甲酸乙二醇酯，由于其原材料易得，化学稳定性好，加工性高，目前已广泛应用于含油废水处理领域。

2、目前，膜分离的主流策略是通过在复合纤维膜表面构建超亲水表面，从而实现膜材料对于乳液中的油滴的截留和水相的选择性渗透。如panchan dansawad等人通过在回收聚对苯二甲酸乙二醇酯 / 聚乙二醇 / 二氧化硅复合膜表面利用水解的四乙氧基硅烷（teos）构建二氧化硅网络框架，形成动态水合层，从而实现对油水乳液的高效抗污性能（j.environ. chem. eng., 13(5), 117472 (2025).）。然而，在长期运行过程中，油污染物仍不可避免地在膜表面逐渐聚集形成阻塞层，最终导致膜分离通量的衰减乃至完全堵塞。因此，研究者们提出在膜表面引入荷电层，利用同种电荷对油滴的静电排斥作用抑制油滴粘附（j. membr. sci., 624, 118950 (2021).）。但是，乳液中携带相反电荷的油滴会在分离过程中与膜表面荷电层的电荷相互中和，若通过外加电压维持膜表面的荷电层，则会极大地增加运行成本。相比之下，压电效应则可将水流不断冲击膜表面产生微小机械能转化为持续的荷电能，进而克服常规荷电膜的电荷中和问题（j. am. chem. soc., 146, 213306(2024).）。然而，传统聚合物材料的化学稳定性高，使其不可生物降解或不可再生。无论是焚烧还是掩埋，废弃材料的持续积累仍会导致环境破坏，给生态系统增添更多压力。综上所述，为应对日益增长的环境关注和可持续发展挑战，开发兼具高效油水分离性能和可生物降解特性的绿色膜材料已成为重要研究方向。

3、针对上述问题，本发明提出一种集高压电性和可生物降解的新型复合纤维膜材料，通过在超亲水膜材料中引入压电效应，制备了一种具有持久油水分离能力的可生物降解的压电复合纤维膜。该膜材料由亲水纤维组成，其中亲水纤维主要在分离过程中形成水通道，而通过掺杂改性手段能够赋予亲油纤维压电性能，从而基于宏观尺度纤维表面产生的静电引力或静电斥力来促进不同类型带电油滴的定向运移，强化膜的自清洁功能，提高油滴的聚结破乳效率。该膜材料能够对多种复杂油水乳液进行持久、高效分离，并且制备流程简单、绿色环保，因此具有极高的应用潜力和市场前景。

技术实现思路

1、本发明目的是提出一种提高可生物降解的纤维膜材料油水分离能力的新策略，并以此制备一种具有持久油水分离能力的可生物降解的压电复合纤维膜。

2、下面简要阐明本发明的实现过程。首先选用聚己内酯（pcl）和甘氨酸作为原材料，通过调控参数配置前驱体溶液，并在pcl前驱体溶液中掺杂钛酸钡（batio3）纳米颗粒；随后利用静电纺丝技术制备可生物降解的亲水复合纤维膜材料；最后，通过单宁酸与3 - 氨丙基三乙氧基硅烷（aptes）对纤维膜材料进行亲水改性，增强纤维膜对水分子的亲和性。该纤维膜不仅能够凭借超亲水表面达到高通量的油水分离，又能够利用水流脉冲作用实现亲油纤维表面的压电响应，通过纤维与油滴之间的静电相互作用实现不同带电油滴的定向运移过程，增强纤维膜的聚结破乳性能，进而实现对多种复杂油水乳液进行持久、高效分离，并且制备方法简易可行、绿色环保，因此极具应用前景。

3、本发明具体涉及一种具有持久油水分离能力的可生物降解的压电复合纤维膜及其制备方法，其通过以下具体步骤实现：

4、（1）配置前驱体溶液：将钛酸钡（固体总质量16%）、β-甘氨酸晶体（3.5 wt%）和聚己内酯（10.3wt%）溶于二氯甲烷、n,n-二甲基乙酰胺和丙酮（体积比5.4 : 4.6 : 1）溶液中，制备pcl前驱体溶液；将前驱体混合物在35 ℃下磁力搅拌17~20 h，得到均匀的前驱体溶液。

5、（2）高速静电纺丝过程：使用注射器取5 ml pcl前驱体溶液，并在注射器前端安装22号不锈钢针头。将注射器放置于静电纺丝设备中，设置注射泵的推进速度为0.5～0.6mm/min，调整注射器针头至转辊接收器的距离为6～12 cm，并利用导线将注射器针头相连接。随后，在转辊接收器上包覆一层铝箔纸，调整转辊接收器的转速为2800~4000 r/min。将高压电源的正极接于注射器针头，调整电压为9～11 kv，将高压电源的负极接于转辊接收器，调整电压为-1～-2 kv，纺丝时间持续1~2 h。纺丝结束后将纤维膜从纺丝机中取出。

6、（3）亲水改性过程：将单宁酸（0.2 wt%）置于去离子水与tris-稀盐酸缓冲液（体积比200:2）中,搅拌均匀；再向溶液中加入3 - 氨丙基三乙氧基硅烷（aptes ,0.2 wt%），充分搅拌均匀，得到亲水改性溶液。将静电纺丝得到的纤维膜浸泡于上述改性溶液中，放于摇床中8~10 h，得到超亲水的复合压电纤维膜。

7、本发明提出了一种提高可生物降解的纤维膜材料油水分离能力的新策略，并以此制备一种具有持久油水分离能力的可生物降解的压电复合纤维膜材料，制备方法绿色环保、流程简易安全，在含油污水处理领域具有很好的应用价值。

1.本发明具体涉及一种具有持久油水分离能力与可生物降解性能的压电复合纤维膜及其制备方法，该方法为：