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油水分离功能化表面：制备工艺、性能特征与应用前景的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化进程的加速和人类活动的增加，含油废水的排放量日益增多。含油废水来源广泛，涵盖石油开采、石油炼制、石油化工、固体燃料热加工、纺织工业中的洗毛、轻工业中的制革、铁路及交通运输业、屠宰及食品加工业以及机械工业中车削工艺等多个领域。据相关数据显示，石油工业每年产生的含油废水量巨大，石油开采过程中，带水原油的分离水、钻井提钻时的设备冲洗水等都是含油废水的重要来源；石油炼制和石油化工中，生产装置的油水分离过程以及油品、设备的洗涤、冲洗会产生大量含油废水。固体燃料热加工工业排出的焦化含油废水，主要来自焦炉气的冷凝水、洗煤气水和各种贮罐的排水等。

含油废水若未经有效处理直接排放，会对环境和人类健康造成严重危害。在生态系统方面，含油废水排入水体后，会在水体表面形成油膜，阻碍大气复氧，断绝水体氧的来源，导致水体缺氧。有资料表明，向水体排放1t油品，即可形成5×10?㎡油膜。水中存在乳化油和溶解油时，好氧微生物分解过程会消耗大量溶解氧，影响鱼类和水生生物的生存。在滩涂地区，油膜还会影响养殖和滩涂开发利用。含油废水浸入土壤空隙间形成油膜，会阻碍空气、水分和肥料渗入土中，破坏土层结构，不利于农作物生长，甚至导致农作物枯死。若含油废水排入城镇排水管道，会对排水管道、附属设备及城镇污水处理厂造成不良影响，采用生物处理法时，一般规定石油和焦油的含量不得超过30-50mg/L，否则将影响水处理微生物的正常代谢过程。含油废水还可能污染饮用水源，其中的致癌物会增加污染地区的癌症发病率。

因此，油水分离技术作为解决含油废水污染问题的关键，对于环境保护和资源回收具有至关重要的意义。高效的油水分离能够降低水体和土壤污染，保护生态平衡，保障人类健康，同时实现油类资源的回收利用，提高资源利用率，带来显著的经济效益。传统的油水分离方法如重力分离、离心分离、气浮分离、过滤分离、吸附分离和化学分离等，虽在一定程度上能够实现油水分离，但普遍存在效率低、成本高、易造成二次污染等问题。例如，重力分离法依赖油水密度差，分离时间长，对于微小油滴分离效果不佳；离心分离法设备成本高，能耗大；气浮分离法需要添加化学药剂，可能造成二次污染。

功能化表面在油水分离领域展现出独特的优势，为提高油水分离效率和环保水平提供了新的途径。具有超疏水/超亲油、超亲水/水下超疏油、Janus润湿性和智能润湿性等特性的功能化表面，能够利用其特殊的表面性质实现油水的高效分离。超疏水/超亲油表面可以使油相迅速浸润并通过，而水相无法透过；超亲水/水下超疏油表面则允许水相通过，阻止油相透过。这些功能化表面能够有效克服传统分离方法的弊端，提高分离效率，减少能耗和化学药剂的使用，降低二次污染的风险。深入研究油水分离功能化表面的制备与性能，对于推动油水分离技术的发展，解决含油废水污染问题，实现经济的可持续发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在油水分离功能化表面的制备与性能研究领域，国内外学者已取得了丰硕的成果。

在超疏水/超亲油表面方面，2004年，LeiJiang团队首次制备出油水分离金属网状膜，通过将乳液聚四氟乙烯等均匀喷涂在不锈钢基板上并加热分解，获得了具有超疏水/超亲油特性的表面，推动了该领域的发展。后续研究不断改进制备方法，如采用溶液刻蚀法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法、电化学刻蚀法、模板法、激光刻蚀法等。其中，激光刻蚀法因能在几乎任何材料表面精准构建多级微纳米结构，且制备的油水分离表面持久稳定，被广泛应用。不过，目前激光制备工艺存在仪器价格高昂、制备效率偏低等问题，限制了大规模生产。

超亲水/水下超疏油表面的研究也取得了显著进展。有学者通过静电沉积法制备超亲水-水下超疏油镍镀层材料，该材料表面呈现均匀的镍纳米颗粒分布和微纳米结构，水接触角高达165°，油接触角为0°，展现出优异的超亲水、水下超疏油性能和良好的油水分离效率。还有研究利用单宁酸界面改性聚偏氟乙烯（PVDF）微滤膜，使膜表面变得粗糙，接触角由超疏水性约150°降低到约30°，具备超亲水特性，对不同浓度油水混合物的分离效率高达99%以上，且不易堵塞，稳定性好。

Janus润湿性表面和智能润湿性表面同样受到关注。有团队制备出具有Janus润湿性的膜，其两侧具有不同性质，可实现PANEN侧高效水包油乳液分离和CNT侧高效油包水乳液分离。在智能润湿性表面方面，有研究以CO?作为触发剂来调节表面超亲油性和超疏油性，使其适用于己烷、石油醚、正庚烷等。

尽管国内外在油水分离功能化表面研究上成果斐然，但仍存在不足。多数研究集中在单一特性表面的制备与性能研究