如何通过电芬顿反应实现膜污染控制和破乳的突破？
成果简介
针对乳液分离过程中膜污染和油滴难以聚并问题，文中设计了一种电芬顿辅助超浸润膜实时抗污、促进破乳的技术。
发现了施加微电场（-2.8 V）可使膜分离通量从未通电时的1364.4 L·m−2h−1快速增加到2258.5 L·m−2h−1；电芬顿作用使膜污染类型由不可逆污染+可逆污染并存，转变为可逆污染为主；膜通量恢复率（98.1%）高于众多光催化、光芬顿型自清洁技术；剖析了膜微界面静电斥力、自由基氧化、气浮等多种机制作用下膜实时污染控制机理。
这种新型膜材料能够原位生成的•OH，高效分解油滴表面的表活剂，破坏水包油乳液的热力学稳定性，使乳剂转化为大粒径的浮油和分散油，实现了高效油水分离，具有很好的应用前景。
引 言
仿生超浸润膜由于选择性好、油水分离效率高、操作简单等优点，成为近年来国际研究的热点。
然而，仅依靠孔径筛分和超浸润分相作用难以实现真正的破乳和油滴聚并，还可能会造成更高浓度的乳液需进行后处理，难以实现有效的油水分离。
另外，通过复杂的物理化学作用吸附在膜表面及膜孔内的污染物是造成通量下降的主要原因，仅通过水力清洗难以恢复通量。
由于乳化油废水在紫外和可见光均有吸收，传统膜污染清洁技术（光催化、光芬顿等）需中断乳液分离过程，外加光源和氧化剂（如H2O2）也增加了膜自清洁的成本，因此迫切需要发展能够实现即时、原位、高效的新型膜污染控制技术。
电芬顿技术能够通过两电子氧气还原反应（ORR）自产氧化剂H2O2，生成大量高活性自由基，实现有机污染物的高效降解。
本文在首次耦合电芬顿与超浸润膜技术处理十二烷基磺酸钠（SDS）稳定的乳化油废水，探究电芬顿多机制强化的膜抗污和破乳机理。
图文导读
图1 (a) FeOOH@CNT和 (b) FeOOH@CNT/SSM超亲水膜的制备过程。
Fe2+与H2O2快速反应可生成Fe3+和•OH，高活性的•OH可以攻击碳纳米管（CNT），使其表面形成大量的缺陷和含氧官能团。Fe3+通过静电引力吸附在羟基化的CNT表面，并与OH-结合生成FeOOH（图1a）。最后，将FeOOH@CNT电沉积到不锈钢网（SSM）表面，制得超亲水膜/水下超疏油膜（图1b）。
图2 (a) 电芬顿辅助乳液分离示意图和 (b) 装置图；(c1, c2) 乳化油和 (c3, c4) 滤液中光学图像和油滴粒径分布；(d) 外加电压对 FeOOH@CNT/SSM 分离效率和通量的影响；(e) CNT/SSM 和FeOOH@CNT/SSM 膜在0和-2.8 V 下的分离性能比较。
FeOOH@CNT/SSM膜仅通过重力作用即可实现乳液分离，分离效率高达99.9%，分离后乳液澄清，未见明显油滴。一定范围内（≤ -2.8 V）提高电压能够显著促进FeOOH@CNT/SSM膜的通量，而不能提高CNT/SSM膜的通量，说明电芬顿反应对提高渗透通量起着关键作用。
图3 (a) 施加电压对膜通量恢复率（FRR）、总污染比（Rt）、可逆污染比（Rr）、不可逆污染比（Rir）的影响。(b) FeOOH@CNT/SSM膜的FRR与文献的比较。（c）FeOOH@CNT/SSM 膜乳液过滤分离过程中的膜污染模型及相应的示意图和方程。
研究发现，电芬顿辅助下FeOOH@CNT/SSM膜的通量恢复率达到98.1%，高于水力清洗及众多光催化或光芬顿型自清洁膜（图3a和b）。
不通电条件下对4种Hermia’s膜污染模型（完全性膜孔阻塞、局部性膜孔堵塞、滤饼型膜孔阻塞、标准型膜孔阻塞）的拟合度（R2=0.97-0.99）均较高，表明可逆污染和不可逆污染同时存在并导致膜通量的快速下降。而在电芬顿作用下滤饼型膜孔阻塞造成的可逆污染为主要膜污染形式，证实了电芬顿能够实时控制膜污染（图3c）。
图3 (a) 施加电压（-2.8 V）分离前乳液、分离后滤液及膜上乳液的光学图像。(c) 电芬顿辅助膜自清洁及破乳机理示意图
不施加电压时，虽然乳液分离效率能够达到99.9%以上，然而分离后膜上乳液乳化油滴密度比分离前显著增加，乳化油平均粒径约为4.2 um，较原始滤液没有明显变化，说明膜上乳液未实现真正破乳。施加电压后，油滴从乳化油尺寸（平均3.2μm）聚并到分散油（36.9 μm）和可浮油（>113.1 μm）尺寸。
电芬顿作用能够将表面活性剂SDS降解为疏水性1-十二烷醇，据此推断1-十二烷醇难溶于水而易迁移到油相中，导致油滴表面张力降低，促进油滴聚并。小油滴聚结形成大油滴，大尺寸的油滴能够脱离膜表面，并根据斯托克斯定律以较快的速度上浮。同时，阳极处连续形成的O2 微泡附着在油滴上，并将其抬升到液面，实现油水两相的完全分离。
小 结
本文研发了一种能够提高超浸润乳液分离膜通量、实时控制膜污染、促进破乳的新策略。
定量解析了膜与污染物的界面微距作用力，剖析了膜微界面静电斥力、自由基氧化及电极微气泡对滤饼层形成和膜污染类型转化的影响，揭示了膜污染实时控制机理，探索了电芬顿多机制协同破乳机理，为膜的设计及实际应用提供了理论基础和技术支撑。
